Organic Solar Cell by Inkjet Printing—An Overview

In recent years, organic solar cells became more attractive due to their flexible power devices and the potential for low-cost manufacturing. Inkjet printing is a very potential manufacturing technique of organic solar cells because of its low material usage, flexibility, and large area formation. In this paper, we presented an overall review on the inkjet printing technology as well as advantages of inkjet-printing, comparison of inkjet printing with other printing technologies and its potential for organic solar cells (OSCs). Here we highlighted in more details about the viability of environment-friendly and cost-effective, non-halogenated indium tin oxide (ITO) free large scale roll to roll production of the OSC by inkjet printing technology. The challenges of inkjet printing like the viscosity limitations, nozzle clogging, coffee ring effect, and limitation of printability as well as dot spacing are also discussed. Lastly, some of the improvement strategies for getting the higher efficiency of the OSCs have been suggested

Defect Recognition of Roll-to-Roll Printed Conductors Using Dark Lock-In Thermography and Localized Segmentation

The demand for flexible large area optoelectronic devices such as organic light-emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPVs) is growing. Roll-to-roll (R2R) printing enables cost-efficient industrial production of optoelectronic devices. The performance of electronic devices may significantly suffer from local electrical defects. The dark lock-in infrared thermography (DLIT) method is an effective non-destructive testing (NDT) tool to identify such defects as hot spots. In this study, a DLIT inspection system was applied to visualize the defects of R2R printed silver conductors on flexible plastic substrates. A two-stage automated defect recognition (ADR) methodology was proposed to detect and localize two types of typical electrical defects, which are caused by complete or partial breaks on the printed conductive wires, based on localized segmentation and thresholding methods

A Computer Vision-Based Quality Assessment Technique for R2R Printed Silver Conductors on Flexible Plastic Substrates

The demand for flexible large-area optoelectronic devices has been growing significantly during recent years. Roll-to-roll (R2R) printing facilitates the cost-efficient industrial production of different optoelectronic devices. Nonetheless, the performance of these devices is highly dependent on the printing quality and number of defects of R2R printed conductors. The image processing technique is an efficient nondestructive testing (NDT) methodology used to detect such defects. In this study, a computer vision-based assessment tool was utilized to visualize R2R printed silver conductors’ defects on flexible plastic substrates. A multistage defect detection technique was proposed to detect and classify both printing-induced defects and imperfections as well as the misalignment of the printed conductors with respect to the reference design. The method proved to be a very reliable approach that can be used independently or in conjunction with electrical testing methods for quality assurance purposes during the production of R2R prints

Direct Laser Written Nano- & Micro-Optical Textures for Photovoltaics Applications

Im Gegensatz zu anderen Technologien, welche der Gewinnung von elektrischer Energie dienen, basierte die Photovoltaik nicht auf einer langen Umwandlungskette. Anstatt einen Kraftstoff zu verbrennen, die Abwärme dieses Prozesses zur Wassererwärmung zu nutzen um schließlich mit Wasserdampf eine Turbine zu betreiben, welche einen elektrischen Generator antreibt, gelingt in der Photovoltaik die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie direkt. Dieser Vorgang ermöglicht eine Dezentralisierung der elektrischen Energiegewinnung. Des Weiteren besitzt die Photovoltaik mit der Sonne eine erneuerbare Energiequelle, welche auf menschlichen Zeitskalen nicht erlischt. Zusätzlich entstehen im Betrieb keine Treibhausgase, welche den Klimawandel weiter anheizen. Trotz der vielen Vorteile der Photovoltaik loht sich die Produktion von Solarzellen, als Herzstücke der elektrischen Energiegewinnung in der Photovoltaik, erst dann im großen Stil, wenn der Preis pro erzeugte kWh elektrische Energie mit dem anderer herkömmlicher Energieträger mithalten kann. Insbesondere der Wirkungsgrad einer Solarzelle hat signifikanten Einfluss auf die Kosten für die elektrische Energie. Der Wirkungsgrad hängt zum einen ab von der Effizienz, mit der einfallendes Licht in freie Ladungsträger umgewandelt werden kann, und zum anderen davon, mit welcher Effizienz die Ladungsträger extrahiert werden können. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Oberflächenstrukturen, welche eine gesteigerte Nutzung des einfallenden Lichtes ermöglichen. Der Vorteil von Oberflächenstrukturen, welche Grenzflächenreflektion senken und den Lichtpfad beeinflussen, ist in der Photovoltaik altbekannt. In modernen, kommerziell erhältlichen kristallinen Siliziumsolarzellen wird auf die Halbleiteroberfläche eine Struktur aufgetragen, welche zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung führt. Strukturen für andere Grenzflächen und Solarzell-Technologien werden hingegen weiterhin erforscht. Insbesondere für die sogenannten Dünnschicht-Technologien gibt es derzeit keine Standardstrukturen, wobei gerade hier eine effizientere Nutzung des einfallenden Lichtes große Vorteile hätte. Die kommerziellen Dünnschicht-Technologien (basierend auf den Halbleitern amorphem Silizium, Kupfer-Indium-(Gallium)-Diselenid /-Disulfid (CIGS) und Cadmium Telluride (CdTe)) haben in den letzten Jahren Marktanteile gegenüber den etablieren kristallinen Silizium-Technologien verloren. Dieser Trend basiert auf den, trotz eines höheren Materialaufwandes, paradoxerweise geringen Kosten für kristallines Silizium. In der Forschung hingegen haben die Dünnschicht-Technologien mit neuen Materialien, wie Perowskiten und Nanokristallen, sowie neuen Anwendungsgebieten, wie der gebäudeintegrierten Photovoltaik, erneut Aufwind erfahren. Es existiert eine große Anzahl an guten Ideen, um Dünnschicht-Solarzellen zu strukturieren. Insbesondere auf der Basis numerischer Modellrechnungen konnte das enorme Potential der verschiedenen Strukturierungsansätze aufgewiesen werden. Auch an im Labor hergestellten Strukturen konnte eine deutliche Steigerung der Absorption von einfallendem Licht nachgewiesen werden, jedoch litt in vielen Fällen (insbesondre bei der Verwendung von Ätzverfahren) die Effizienz mit der Ladungsträger extrahiert werden und somit der Wirkungsgrad der Solarzelle. Außerdem konnten, auf Grund von Grenzen bei den Herstellungsverfahren, bisher nicht alle Strukturierungsansätze umgesetzt werden. Diese Dissertation widmet sich einem vergleichsweise neuen Verfahren zur Herstellung von 3D-Freiform-Strukturen, mit der Idee die Herstellung neuartiger Nano- und Mikrostrukturen für die Photovoltaik zu ermöglichen. Des Weiteren werden Verfahren verwendet, welche keinen (oder nur einen geringen) Einfluss auf die Extrahierung der Ladungsträger haben. Mit dem zum Einsatz kommenden Strukturierungsverfahren „Direktes Laserschreiben“ (eng. direct laser writing (DLW)) lassen sich in einem Polymer (mit Hilfe eines Submikrometer großen Grundbausteins) Nano- und Mikrostrukturen, auf einer Fläche von mehreren Quadratmillimetern, verwirklichen. Das Verfahren benötigt keine lange Vorbereitung und kommt ohne eine Maske aus. Es ist somit gut geeignet um Prototypen zur optischen Charakterisierung zu entwickeln. Es wurde untersucht, inwiefern DLW verwendet werden kann, um optisch kleine und optisch große Strukturen für die Photovoltaik zu erforschen. Optisch kleine Strukturen, mit Größenordnungen im Bereich der Wellenlänge des Lichtes, beugen einfallendes Licht und können es so in Bauelemente der Dünnschicht-Photovoltaik einkoppeln. Eingekoppeltes Licht verweilt lange in der Solarzelle und wird somit stärker absorbiert. Für die Photovoltaik interessante Wellenlängen sind typischerweise im Bereich 300 nm bis 1200 nm vorzufinden. Dieser Bereich befindet sich an der Auflösungsgrenze des DLW-Systems. Ein wichtiger Teil dieser Studie war somit die Bestimmung geeigneter Parameter für die Herstellung der Strukturen. Um den Ladungsträgertransport nicht zu beeinflussen, wurde ein neuartiges Verfahren untersucht, bei dem das lichtabsorbierende Haltleitermaterial nachträglich in die Struktur eingefügt wurde. Dieses Verfahren beruht auf der Möglichkeit die zuvor erwähnten neuen Dünnschichtmaterialen flüssig zu prozessieren. In einer ersten Demonstration wurde eine mit DLW hergestellte Polymerstruktur mit CuInSe2 (CIS) Nanokristallen infiltriert. Die CIS Nanokristalle lagen zunächst in Lösung vor. Nach dem Auftragen verdampfte das Lösungsmittel und hinterließ eine kompakte CIS Schicht welche die Polymerstruktur umschloss. Ein wichtiger Teil der Studie war das Bestimmen der optischen Materialeigenschaften. Im Rahmen dieser Materialuntersuchung wurde für das DLW belichtete Polymermaterial IP-Dip ein Brechungsindex von etwa 1.53 bestimmt. Es wurde außerdem festgestellt, dass IP-Dip einen höheren Brechungsindex von etwa 1.54 besitzt, wenn es mit ultraviolettem (UV) Licht belichtet wurde. Für die CIS Nanokristalle wurde ein Brechungsindex von etwa 2.0 bestimmt. Mittels dieser Parameter war es möglich die Lichteinkopplung in eine erste Teststruktur im Detail numerisch zu untersuchen. Es wurde eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnisses gefunden. In einer fertiggestellten Solarzelle, konnte außerdem nachgewiesen werden, dass die Strukturen sich nicht schädlich auf die Ladungsträger-Extraktion auswirken. Bedauerlicherweise konnte, bedingt durch den sich als sehr gering herausgestellten Brechungsindexunterschied zwischen IP-Dip und den CIS Nanokristallen, nur eine sehr geringe Erhöhung der Absorption einfallenden Lichtes (auf Basis der angestrebten Lichteinkopplung) nachgewiesen werden. Andererseits kam es zu einem unerwarteten Kapillareffekt, auf Grund dessen sich die Schichtdicke der CIS Nanokristalle im Bereich der Strukturierung erhöhte. Optisch große Strukturen, die sich in der Größenordnung eines Vielfachen der Wellenlänge bewegen, können die Reflektion an einer Grenzschicht von einem niedrigen Brechungsindex zu einem höheren Brechungsindex (in die Solarzelle hinein) deutlich reduzieren und in die andere Richtung (aus der Solarzelle heraus) deutlich erhöhen und so Licht gefangen halten. Dies ist das Grundprinzip der oben erwähnten Mikrostrukturen auf modernen kristallinen Siliziumsolarzellen. Um die Vorteile dieses Prinzips für die Dünnschicht-Photovoltaik zu nutzen, können Strukturen an der obersten Schicht eines Solarmoduls (Glas) angebracht werden. Der Halbleiter wird so nicht beschädigt und der Ladungsträgertransport nicht beeinflusst. In der im Folgenden beschriebenen Studie wurde DLW als Verfahren zum Erstellen von Freiform-Prototypen voll ausgenutzt, indem Strukturen zunächst mittels DLW erstellt wurden und dann mit Hilfe von Nanoprägelithografie auf verschiedene Substrate transferiert wurden. In vorangegangenen numerischen Studien hatte sich das Aspektverhältnis von Mikrostrukturen als Schlüsselparameter für Anwendungen in der Photovoltaik herauskristallisiert. Mittels DLW konnte ein experimenteller Beweis geliefert werden und eine für die Anwendung optimierte Struktur hergestellt werden. In einer systematischen Studie wurde der Einfluss des Aspektverhältnisses von kegelförmigen Mikrostrukturen auf die Reflektivität der Grenzschicht und das Potential Licht in der Solarzelle einzuschließen, numerisch und experimentell untersucht. Mittels optischer Untersuchungen auf unterschiedlichen Substraten, konnte zunächst eine hohe Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen gezeigt werden. So war es möglich eine Struktur mit einem für senkrecht einfallendes Licht optimierten Aspektverhältnis von 0.73 herzustellen. Außerdem konnte eine signifikante Wirkungsgradsteigerung verschiedener Solarzellen durch die Mikrostruktur gezeigt werden. Mit Hilfe von kristallinen Siliziumsolarzellen, wurde die Relevanz der Mikrostrukturen für eine etablierte Technologie gezeigt. Die Mikrostrukturen wurden als zusätzliche Schicht auf einer Siliziumsolarzelle mit bereits strukturierter Halbleiterschicht aufgetragen. Mittels Messungen der externen Quanteneffizienz wurde eine relative Erhöhung der Kurzschlussstromdichte um 5.4% (im Vergleich zu einer Zusatzschicht ohne Strukturierung) bei senkrechtem Lichteinfall nachgewiesen. Die etabliere Technologie der Antireflektionsbeschichtung kommt in einem ähnlichen Vergleich auf eine relative Erhöhung von nur 3%. Bei schrägem Lichteinfall entfalten die Mikrostrukturen ihr volles Potential. In einer Berechnung der Energieausbeute unter realen Bedingungen, kamen die Mikrostrukturen auf eine relative Erhöhung von bis zu 9%, wohingegen 4% für die etablierte Antireflektionsbeschichtung bestimmt worden waren. Zu guter Letzt wurden CIGS Solarzellen verwendet, um das Potential der Mikrostrukturen auf Dünnschicht-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad zu zeigen. Unter Standardbedingungen wurde eine Erhöhung des Wirkungsgrades von 20.2% auf 20.9% nachgewiesen. Des Weiteren ergab der Vergleich mit einer konventionellen MgF2 Beschichtung eine deutlich stärker reduzierte Reflektion unter senkrechtem Einfall und eine deutlich höhere Kurzschlussstromdichte für große Einfallswinkel

Organic Solar Cell by Inkjet Printing—An Overview

In recent years, organic solar cells became more attractive due to their flexible power devices and the potential for low-cost manufacturing. Inkjet printing is a very potential manufacturing technique of organic solar cells because of its low material usage, flexibility, and large area formation. In this paper, we presented an overall review on the inkjet printing technology as well as advantages of inkjet-printing, comparison of inkjet printing with other printing technologies and its potential for organic solar cells (OSCs). Here we highlighted in more details about the viability of environment-friendly and cost-effective, non-halogenated indium tin oxide (ITO) free large scale roll to roll production of the OSC by inkjet printing technology. The challenges of inkjet printing like the viscosity limitations, nozzle clogging, coffee ring effect, and limitation of printability as well as dot spacing are also discussed. Lastly, some of the improvement strategies for getting the higher efficiency of the OSCs have been suggested

Conception de matériaux pi-conjugués pour des applications en dispositifs optoélectroniques organiques

Depuis leur découverte, les matériaux organiques π-conjugués retiennent l'attention des chercheurs. Ces molécules semi-conductrices sont intéressantes pour leurs propriétés optoélectroniques, leur coût compétitif et leur bonne solubilité dans les solvants usuels. Ce dernier attribut leur permet d'être imprimées à grande échelle via différentes méthodes d'impression, ouvrant la porte au domaine de l'électronique imprimée. L'une des applications possibles de ces semi-conducteurs est comme matériaux actifs en cellules photovoltaïques organiques (OPV, pour organic photovoltaics). En effet, deux matériaux π-conjugués peuvent constituer la couche active du dispositif pour générer un photocourant : un semi-conducteur de type p (donneur d'électrons) et un semi-conducteur de type n (accepteur d'électrons). Depuis les 20 dernières années, des polymères π-conjugués ont été principalement étudiés comme matériaux de type p. Bien que plusieurs structures moléculaires présentent des performances très compétitives tout en permettant une stabilité accrue, leur synthèse peut être parfois complexe et coûteuse. Classiquement, des dérivées du fullerène étaient utilisés comme matériaux de type n avec ces polymères. Cependant, celui-ci participe très peu à l'absorption de la lumière et présente certains inconvénients face à la stabilité du dispositif. Une nouvelle gamme de matériaux de type n a fait son apparition depuis 2015 : les petites molécules π-conjugués de type n (NFA, pour non-fullerene acceptors). Ces nouvelles structures permettent d'atteindre continuellement de nouveaux records d'efficacité en cellules photovoltaïques organiques. Ce projet de doctorat vise à étudier différents aspects menant à un dispositif photovoltaïque organique à l'affut des enjeux de la mise à l'échelle. Afin d'obtenir des matériaux polymères performants et peu coûteux, la réaction de polymérisation doit être minutieusement optimisée. Dans un premier temps, l'étude de la polymérisation par (hétéro)arylation directe (DHAP) a été effectuée sur un polymère de type p connu, le PPDT2FBT. La DHAP réduit grandement le coût final du matériau, mais nécessite beaucoup d'optimisation par rapport aux méthodes classiques. Ensuite, ce polymère a été étudié en OPV en gardant l'objectif de la mise à l'échelle des dispositifs. Suivant ces résultats, les travaux ont visé à développer de nouveaux matériaux de type n à jumeler avec ce premier polymère. Vue la complexité synthétique de ces matériaux, des méthodes computationnelles ont été utilisées afin de modéliser les propriétés optoélectroniques. Dans un premier volet, ces méthodes computationnelles ont été méticuleusement optimisées pour ces types de molécules. Ensuite, ces méthodes ont été utilisées pour la conception de nouveaux matériaux de type n. Les travaux de cette thèse montrent de nombreux avancements dans différents aspects de la fabrication de cellules photovoltaïques organiques, soit la conception des matériaux, leur synthèse et la fabrication du dispositif. En plus de matériaux π-conjugués étudiés de façon expérimentale, le développement de plusieurs outils, tant synthétiques que computationnels, ont fait l'objet de ce projet. Les dispositifs les plus performants étudiés dans cette thèse ont montré des efficacités de conversion de puissance au-dessus de 8% et ce, en respectant plusieurs critères de la mise à l'échelle.Since their discovery, organic π-conjugated materials have gained a lot of attention in the field of functional materials. These semiconducting molecules are particularly interesting for their optoelectronic properties, competitive cost and solubility in common solvents, which enables ink processability. This aspect allows these semiconductors to be fully printed at a large scale, opening-up the field of printed electronics. One of the applications for these materials is as organic photovoltaics (OPVs). In these devices, two semiconductors are integrated in the active layer: a p-type and an n-type material. Most research from the last 20 years has focused on π-conjugated polymers as p-type. Even though several highly efficient molecular structures have been developed, their synthetic complexity remains an issue regarding the material cost. On the other hand, fullerene derivatives were mainly used as n-type materials with these polymers. However, they have poor contributions to the light-harvesting capacity of the photovoltaic cell. More recently, a new class of n-type materials called non-fullerene acceptors (NFAs) has gained a lot of attention. These new molecular structures continuously achieve efficiency records in OPVs. The scope of this project is to study the different aspect leading to a scalable organic photovoltaic device. To get an efficient conjugated polymer at low cost, the polymerization reaction must be carefully optimized. First, this project aims to study the direct (hetero)arylation polymerization (DHAP) of the well-known p-type polymer PPDT2FBT. This polymerization method reduces the material cost, as it decreases the number of synthetic steps required for monomers. However, more optimization is needed compared to traditional methods. The fabrication of OPVs is then investigated while keeping in mind the process scalability. Following these results, NFAs have been developed to be paired with the PPDT2FBT. Since these materials are complex to synthesize, computational methods have been employed to model the optoelectronic properties. The computational methods were first optimized for several NFAs to judge their reliability. Then, they were used to design new materials for OPV. This thesis consolidates several steps in the fabrication of organic photovoltaics, from the molecular design of the organic semiconductors to their synthesis and characterization of devices. Moreover, this work has contributed by developing useful tools, both synthetic and computational. The most efficient photovoltaic device developed in this thesis showed a power conversion efficiency over 8% while having scale-up requirements