Μετά την απομόνωσή του το 2004, το γραφένιο έχει συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Οι εξαιρετικές ηλεκτρονικές, οπτικές και μηχανικές του ιδιότητες, το καθιστούν ως το πιο ελπιδοφόρο υλικό, ιδανικό για ηλεκτρονικές εφαρμογές και ιδιαίτερα για τον τομέα των Οργανικών Φωτοβολταϊκών (OPVs). Στην παρούσα διατριβή, αναπτύχθηκαν καινοτόμα υλικά με βάση το γραφένιο και διερευνήθηκε η εφαρμογή τους στα δομικά στοιχεία των OPVs. Αρχικά, διερευνήθηκε η διασπορά παραγώγων γραφενίου και συγκεκριμένα του οξειδίου του γραφενίου (GO) και του ανηγμένου οξειδίου του γραφενίου (rGO) σε διάφορους διαλύτες, με σκοπό την ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου για τη διευκόλυνση της επεξεργασίας τους. Συγκεκριμένα, τα εν λόγω διαλύματα συγκρίθηκαν όσον αφορά τη συγκέντρωση και τη σταθερότητα τους σε σχέση με το χρόνο, ενώ επιπλέον εξετάστηκε η επίδραση της αναγωγής στη διασπορά του GO σε σχέση με την πολικότητα και την επιφανειακή τάση των διαλυτών. Λαμβάνοντας υπόψη τους παράγοντες διαλυτότητας Hansen and Hildebrand των διαλυτών που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς και τις συγκεντρώσεις του GO και του rGO σε αυτούς, προσδιορίστηκαν οι αντίστοιχοι παράγοντες διαλυτότητας για τις εξεταζόμενες γραφενικές δομές. Εκμεταλλευόμενοι τη δυνατότητα επεξεργασίας υπό μορφή διαλύματος των παραγώγων του γραφενίου όπως του οξειδίου του γραφενίου, γραφενικές δομές ενσωματώθηκαν στα διάφορα δομικά στοιχεία ενός φωτοβολταϊκού κελιού, ενισχύοντας σημαντικά την απόδοσή και τις προοπτικές για την γρήγορη εμπορική αξιοποίηση τους. Αρχικά ακολουθώντας μια οπτική τεχνική που βασίζεται στη χρήση βραχέων παλμών λέιζερ, επετεύχθη η βελτίωση και ταυτόχρονα ο έλεγχος των οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων λεπτών αγώγιμων ημενίων ανηγμένου οξειδίου του γραφενίου πάνω σε εύκαμπτα υποστρώματα. Η ελεγχόμενη ακτινοβόληση επέτρεψε την μερική, επιφανειακή αποδόμηση του rGO και το σχηματισμό μικροσκοπικών πηγαδιών σε απόλυτα ελεγχόμενες και διατεταγμένες θέσεις πάνω στην επιφάνεια των γραφενικών ημενίων. Συγκεκριμένα, ακτινοβολήθηκαν ημένια rGO με αρχικές τιμές διαπερατότητας ~20% οδηγώντας σε αύξηση σε τιμές ~59%, ενώ παράλληλα η επιφανειακή αντίσταση κυμάνθηκε σε χαμηλότερες τιμές (~565 Ωsq−1) σε σχέση με την αντίστοιχη (~780 Ωsq−1) των μη ακτινοβολημένων ημενίων, στο ίδιο επίπεδο διαπερατότητας. Τα παραγόμενα ημένια παρουσίασαν εξαιρετική μηχανική σταθερότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα και οπτική διαπερατότητα επιτρέποντας τη χρήση τους ως διαφανή αγώγιμα ηλεκτρόδια σε εύκαμπτα OPVs, επιτυγχάνοντας απόδοση της τάξης του 3%, η υψηλότερη που έχει αναφερθεί ποτέ για εύκαμπτες διατάξεις βασισμένες σε παραχθέντα από διάλυμα γραφενικά ηλεκτρόδια. Στη συνέχεια, γνωρίζοντας ότι οι διεπιφάνειες μεταξύ του φωτοενεργού στρώματος και των ηλεκτροδίων επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση των OPVs, μελετήθηκε η χρήση παραγώγων γραφενίου ως ενδιάμεσα στρώματα. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε φωτοχημικός εμπλουτισμός του GO με χλώριο και χρήση του ως στρώμα μεταφοράς οπών σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις, Συγκεκριμένα, υποστρώματα GO ακτινοβολήθηκαν με laser, με αποτέλεσμα να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονη αναγωγή και πρόσδεση χλωρίου στο γραφενιακό πλέγμα. Ο σχηματισμός δίπολων Cδ+-Clδ- είχε ως αποτέλεσμα τη μετακίνηση της ενέργειας Fermi προς τη ζώνη σθένους του GO και τροποποίηση του έργου εξόδου (WF) από 4.9 eV σε μέγιστη τιμή 5.23 eV. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε τροποποίηση του GO με λίθιο, και μεταβολή του WF από 5.0 eV στο GO σε 4.3 (±0.1) eV στο GO-Li, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως ενδιάμεσο στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η ενσωμάτωση των παραγόμενων γραφενικών δομών ως ενδιάμεσα στρώματα σε OPVs βελτίωσε σημαντικά την απόδοσή τους (+19.5% σε σχέση με διατάξεις όπου χρησιμοποιήθηκε το PEDOT:PSS ως στρώμα μεταφοράς οπών, +14.2% σε σύγκριση με διατάξεις όπου δεν χρησιμοποιήθηκε το GO-Li, +19% όταν ενσωματώθηκαν ταυτόχρονα τα GO-Cl και GO-Li). Τέλος, μελετήθηκαν γραφενικές δομές εμπλουτισμένες με ανόργανους νανοκρύσταλλους ως υποσχόμενα υλικά για φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Πραγματοποιήθηκε σύνθεση ανηγμένου οξειδίου του γραφενίου-θειούχου αντιμονίου (rGO-Sb2S3) και χρήση του ως πρόσθετο στο φωτοενεργό στρώμα PCDTBT:PC71BM οργανικών κυψελίδων, επιτυγχάνοντας απόδοση 6.81%.
(EL)
Ever since the isolation of free standing graphene in 2004, graphene research has experienced a phenomenal growth. Its exceptional electronic, optical and mechanical properties make graphene highly attractive, believed to be the next wonder material and thus triggering the application of graphenebased materials in the different layers of optoelectronics and especially organic photovoltaics (OPVs). In this thesis, novel graphene derivatives have been developed towards all graphene-based photovoltaics. First of all, aiming to improve the processability of graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO), the solubility of GO and rGO in a large number of common organic solvents was investigated. Their dispersions were prepared and compared, with respect to the long-term stability and dispersion quality. The effect of reduction process on the solubility of GO was investigated considering the solvent polarity and the surface tension. This work contribution mainly lies in the fact that for the first time, the solubility values of both GO and rGO were calculated and the data was analyzed to identify the Hansen and Hildebrand solubility parameters for the two graphene derivatives, facilitating the application of graphene derivatives to printed flexible electronics. To contribute to the existing research on the use of graphene as transparent conductive electrode in OPVs, a novel, one step laser-based method to pattern previously prepared rGO thin films was presented. In more detail, the micromesh (MM) patterning of the rGO films with fs UV laser pulses, resulted in a significant increase of the transparency, retaining at the same time their conductivity at high levels, thereby improving the tradeoff between rGO layers transparency and sheet resistance. In particular, rGO films with initial transparency of ~20% were patterned, resulting in rGOMMs films with ~59% transmittance and sheet resistance of ~565 Ωsq−1, significantly lower than the pristine rGO films resistance (~780 Ωsq−1), exhibited at the same transparency. As a proof-of-concept application, rGOMMs were used as the transparent electrodes in flexible OPV devices, achieving power conversion efficiency (PCE) of 3.05%, the highest ever reported for flexible OPV devices incorporating solution-processed graphene-based electrodes.
The interface between the active layer and the electrodes plays an important role in the overall device performance of organic electronics. In this context, the effective utilization of work function (WF) tuned solution processable graphenebased derivatives as buffer layer in OPV devices was also demonstrated. The systematic tuning of functionalized GO WF was performed by either photochlorination for WF increase, or lithium neutralization for WF decrease. In this way, the WF of the photochlorinated GO (GO-Cl) layer perfectly matched with the HOMO level of two different polymer donors, enabling excellent hole transport. On top of that, the WF of the lithium functionalized GO (GO-Li) perfectly matched with the LUMO level of the fullerene acceptor, enabling excellent electron transport. The utilization of these graphene-based hole and electron transport layers in OPV devices, led to significant PCE improvement (+19.5% compared to PEDOT:PSS HTL, +14.2% compared to devices without the GO-Li interfacial layer, +19% in combo devices with GO-Cl HTL and GO-Li interfacial ETL). Finally, the synthesis of graphene-inorganic nanocrystal derivatives as a way of designing energetically favorable materials for solar cells applications was also demonstrated. In particular, the synthesis and the application of reduced graphene oxide-antimony sulfide (rGO-Sb2S3) hybrid nanosheets as the cascade material in ternary PCDTBT:PC71BM-based OPV led to PCE of 6.81%. The rGO-Sb2S3 hybrids combine the advantages of the individual materials, and could potentially enhance the electron cascade transfer into the active layer
(EN)
