Περίληψη
Σκοπός αυτής της Διπλωματικής εργασίας είναι η εξέταση της εισαγωγής ενός δισδιάστατου (2ϋ)υλικού, Δισουλφίδιο του Βολφραμίου(Λ/52) με και χωρίς νανοσωματίδια χρυσού (AuNPs), μέσα στο ενεργό στρώμα (AL) μιας οργανικής, με διεσπαρμένη ετεροεπαφή (BHJ), φωτοβολταϊκής διάταξης (OPV). Η σχετικά περιορισμένη φασματική επικάλυψη των οργανικών πολυμερικών ζωνών απορρόφησης εντός του ηλιακού φάσματος καθώς και η μορφολογία, είναι δύο από τους κύριους περιορισμούς των οργανικών ηλιακών κελιών.Μεταξύ διαφορετικών στρατηγικών που είναι σε εξέλιξη στο να αντιμετωπίσουν αυτό τον περιορισμό, η καινοτόμος ιδέα των Τριαδικών ΟΡνείναι μια υποσχόμενη στρατηγική για την επέκταση του φάσματος απορρόφησης των μεγάλου ενεργειακού χάσματος πολυμερών κοντά στην περιοχή του υπερύθρου (IR) και στο να αυξηθεί η συλλογή φωτός από ένα απλό, Β^οργανικό κελί. Χρησιμοποιώντας την μέθοδο εκτομής με λέιζερ (laser ablation method), τα ΙΝ^Χρυσού (AuNPs)σχηματίζονται σε υγρά με pico-(10-12) και femto- (10-15) secondlaser παλμούς και εμφυτεύονται με τις νανονυφάδες (NS) του WS2. Έχει αποδειχθεί ότι η επαγώμενη σύνδεση μέσω λέιζερ των AuNPs με το επίπεδο βάσης των NSκαι τα άκρα, έχουν σαν αποτέλεσμα την αυξημένη συλλογή φωτός, που είναι δυνητικά χρήσιμη για την μετατροπή ενέργειας και των εφαρμογών αποθήκευσης. Σύμφωνα με το τέλειο ενεργειακό ταίριασμα του WS2 και του πολυμερικού μείγματος, τα εξιτόνια(ζεύγος οπής+-ηλεκτρονίου-) μπορούν αποδοτικά να διαχωριστούν στο υπόστρωμα του δότη(χαμηλής ηλεκτροσυγγένειας)-αποδέκτη (μεγάλης ηλεκτροσυγγένειας) και έτσι τα ηλεκτρόνια μπορούν χωρίς απώλειες να μεταφερθούν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο του αλουμινίου (Al). ΑύξησητηςαπόδοσηςτωνΒΗΙΠολυμερούς:Φουλερενίουδιατάξεις καταδεικνύεται αρχικά από την εισαγωγή του WS2 και μετά του WS2-AuNPs διαλυμάτων στο ALUCOV διατάξεων. Η απόδοση μετατροπής ισχύος (PCE) της δυαδικής διάταξης αποτελούμενη από ένα μείγμα ονόματι poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)] (PCDTBT) : [6,6]-phenyl-C71-butyric-acidmethyl-ester (PC71BM), ως το ζευγάρι δότη: αποδέκτη, ήταν 5,6%. Μία αξιοσημείωτη αύξηση της τάξης του 8% επιτεύχθει φτάνοντας έτσι (η PCE) την τιμή 6.1% μετά από την εισαγωγή των WS2NS(PCDTBT:WS2:PC71BM), ενώ η ενσωμάτωση των WS2NS "διακοσμημένα" με ταAuNPs βελτίωσε περαιτέρω την PCE κατά 12,5%, φτάνοντας το 6.3%. Η αύξηση της απόδοσης μπορεί να αποδοθεί στην σκέδαση του φωτός των μεγάλης διαμέτρου WS2NS, βελτιώνοντας έτσι το φάσμα απορρόφησης μέσα στο φωτοενεργό στρώμα και επίσης στις ιδιότητες καλύτερης μεταφοράς φορτίου (σε σχέση με το απλό μοντέλο φωτοβολταϊκής διάταξης) του Τριαδικού μείγματος στην περίπτωση του χωρίς την εισαγωγή AuNPs μείγματος (PCDTBT:WS2:PC71BM). Από την άλλη μεριά, η αύξηση της απόδοσης των διατάξεων με τα AuNPsπροσκολλημένα στα WS2 NSτων Τριαδικών μειγμάτων, θα μπορούσε να αποδοθεί στην περαιτέρω αυξημένη απορρόφηση σύμφωνα με τις επιπτώσεις του φαινομένου του Εντοπισμένου Επιφανειακού Πλασμονικού συντονισμού (LSPR^oov μικρής διαμέτρου AuNPs.
(EL)
The scope of this diploma thesis is to examine the addition of a 2D material,
Tungsten Disulfide (WS2) with and without gold nanoparticles (Au NPs),into the active
layer (AL) of an Organic bulk-heterojunction (BHJ) Photovoltaic (OPV) device.
Relatively, narrow spectral overlap of organic polymer absorption bands within the
solar spectrum and morphology are two of the major limitations of organic solar cells.
Among different strategies that are in progress to tackle this restriction, the novel
concept of Ternary OPV is a promising strategy to extend the absorption spectra of
large bandgap polymers to the near IR region and to enhance light harvesting in single
bulk-heterojunction solar cells. By using the laser ablation method, Au NPs are formed
into liquids with pico- and femto-second laser pulses and be implanted with WS2
nanosheets (NS). It is found that the laser induced anchoring of Au NPs onto NS basal
plane and edges resulted in enhanced light harvesting that is potentially useful for
energy conversion and storage applications. Due to the perfect energy level matching
of WS2 and the polymer blend, excitons can be efficient dissociate at the interfaces of
Donor (low electron affinity)-Acceptor (high electron affinity) and thus electrons can
be efficiently transported to the negative Aluminum electrode. Enhancement of the
efficiency of bulk heterojunction (BHJ) Polymer-Fullerene devices is demonstrated
first by the addition of WS2 and then WS2-Au NPs solutions in the active layer of the
devices. The power conversion efficiency (PCE) of the binary device consisting of a
poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-
benzothiadiazole)] (PCDTBT) : [6,6]-phenyl-C71-butyric-acid methyl-ester (PC71BM)
blend as the donor-acceptor pair was 5.6%. A significant enhancement of 8% was
achieved reaching 6.1% after the employment of WS2NS (PCDTBT:WS2:PC71BM), while
the incorporation of Au NPs decorated WS2NS (PCDTBT:WS2–Au NPs:PC71BM) further
improved by 12.5% the Power Convention Efficiency (PCE), reaching 6.3%.The
efficiency enhancement can be attributed to light scattering of the large diameter
WS2 NS, improving the absorption spectra inside the photoactive layer and as well as
to better charge transport properties of the ternary blend in the case of the undoped
WS2 blend. On the other hand, the enhancement of performance of devices with Au
NPs doped WS2 ternary blends, can be also attributed further increased absorption
due to the effects of the phenomenon of Localized Surface Plasmon Resonance (L
effects of the small diameter Au NPs.SPR)
(EN)
University of Crete
