Organic solar cells. Towards printable devices for indoor applications

Energy scavenging is a research field in strong development, due to the continuous decrease of energetic requirements and to the performance improvement of transducers. Possible applications are the powering of wireless sensors’ networks, of wearable electronics and of small monitors. These systems operate on demand, with standby consumptions of 10 -100 µ W. In this context the application of organic photovoltaic technology in indoor environments is a very interesting technology. Existing light-energy, low cost, converters are mainly inorganic (amorphous Silicon); but require an high and standardized productive volume to keep the costs low. Organic semiconductors are soluble: inks can be realized and deposited on large areas with economic printing processes, similar to the ones used for newspapers printing. Through the use of plastic materials flexible and light-weight panels can be realized, with shapes and colors conformable to the needs. The absorption spectra can be tuned to match with indoor sources, while the lower illumination intensity change the requirements imposed on the materials: layer combinations that cannot be used in outdoor conditions due to the too low performances can be exploited. The work here presented has been done in the attempt of exploiting these advantages: aims are the increase of solar cell’s efficiency in indoor low light conditions and an improved compatibility of the processing with large scale production. Towards these goals a first step has been done introducing a solution-processed interlayer, as substitution of a non-printable one. A study on the effect of a thermal treatment on performances has then been carried out: the conductive properties of organic materials are strongly influenced by the arrangement of the polymers they are composed of, and an optimal temperature, that maximizes the performances, can be found. Finally the use of solvent additives was dealt with, as an alternative attempt for a performance increase. The work has been carried out in the Center for Nano-Science and Technology@PoliMi (CNST@PoliMi) of Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).

Il recupero di energia per l’alimentazione di dispositivi a basso consumo è un campo in via di forte sviluppo, grazie alla diminuzione delle richieste di energia, e al miglioramento delle prestazioni dei trasduttori di nuova generazione. Applicazioni possibili sono l’alimentazione di reti di sensori wireless, di elettronica indossabile o di display di piccole dimensioni. Questi sistemi sono operativi solo quando necessario, con consumi in standby di 10 -100 µ W. In tale contesto, l’uso del fotovoltaico organico in ambienti interni è una tecnologia molto promettente. Gli attuali convertitori luce-energia a basso costo sono inorganici (Silicio amorfo); è però necessario un volume produttivo elevato e standardizzato per contenere i costi. I semiconduttori organici sono solubili e permettono lo sviluppo di veri e propri inchiostri, depositabili su larga area con tecniche di stampa economiche, molto simili a quelle dei giornali. Usando materiali plastici come substrato si possono realizzare pannelli flessibili e leggeri, con colori e forme adattabili alle esigenze. Lo spettro di assorbimento può essere sintonizzato con lo spettro di emissione delle sorgenti luminose, mentre la ridotta illuminazione cambia i requisiti sui componenti, consentendo l’uso di materiali ed architetture a bassissimo costo, non utilizzabili in ambiente aperto a causa delle prestazioni limitate. Il lavoro qui presentato è stato sviluppato puntando su questi vantaggi, con il fine di aumentare l’efficienza dei dispositivi in ambiente interni, e la compatibilità degli step realizzativi con la produzione su larga scala. Un primo passo verso la stampabilità è stato tentato introducendo un interlayer depositato da soluzione a sostituzione di uno non stampabile. Si è poi studiato l’effetto di un trattamento termico sulle prestazioni: le proprietà conduttive dei materiali organici sono fortemente influenzate dall’organizzazione dei polimeri che li compongono e vi è una temperatura ottimale che massimizza le prestazioni. Da ultimo, per aumentare le prestazioni, si è sfruttato l’uso di solventi additivi. Il lavoro si è svolto presso il Center for Nano-Science and Technology@ PoliMi (CNST@PoliMi) dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).