Solution-processed metal oxide layers for photovoltaic and photonic applications

The use of metal oxides in optoelectronic and photonics has been rapidly growing during the last decades due to their appealing electronic structures, optical and electrical properties. In the particular case of organic photovoltaics (OPVs) its use as carrier-collecting layers or electrodes has improved the device performances and the stability issues due to moisture and oxygen interaction, making this technology a good candidate for large scale solar energy harvesting. In addition, the achieved reduction of the electric power demand of small electronics has opened to OPVs a wide range of low-power electronics niche applications (indoor applications) such as remote sensors, powered radio-frequency identification (RFID) systems, remote displays or portable consumer smart devices that may operate from a battery charged from an OPV cell. Besides their potentialities as carrier transport layers, they can be also used for light management like in the case of photonic crystals. The engineering of the different metal oxides layers of the photonic crystals makes possible the control of their properties, allowing its use for OPVs applications and many others fields such as sensors, lasing, and optical switches. However, in all of these cases, the real commercial applicability of these new technologies will be determined, among others, by the materials price and the scalability of the production to the industrial fabrication lines that can allow large area deposition of flexible and light-weight modules. In order to overcome these problems, the development of these metal oxides as carrier-collecting layers or for photonic crystal fabrication must be based on solution-processed protocols of earth-abundant materials, compatible with the large scale sheet-to-sheet (S2S) or roll-to-roll (R2R) deposition lines that are already available in the industrial sector. For this reason, we have used the sol-gel technique for the synthesis of metal nanoparticles as precursor materials for the fabrication of metal oxides interlayers in OPV devices and one-dimensional photonic crystals (1DPCs). Materials such as ZnO, TiOx, WO3, MoO3 and V2O5 were synthesized. Subsequently, the corresponding thin films were realized by different deposition techniques and by using different processing conditions. These sol-gel based metal oxides were investigated for three main applications. First, for the fabrication of OPV devices using low cost non-fullerene electron-acceptor materials such as perylene-diimide (PDI) derivatives. The use of ZnO as electron collecting layer has allowed the elucidation of the role of the device architecture on the performance of this fullerene-free solar cells, resulting in a significant improvement of the power conversion efficiency up to 3.7%. Secondly, for the fabrication of scalable OPV architectures that can be integrated in modules. The inkjet printing compatibility of these solution-based metal oxides has allowed the fabrication of easily interconnected modules with higher geometrical fill factor that can be used for outdoor and indoor uses. Lastly, for the fabrication and tuning of the optical properties of 1DPCs with potential uses as back reflectors in OPV, electro-optical switches, sensing and photoluminescence applications. A bias induced tuning of the photonic band gap was demonstrated by using metal nanoparticle/metal oxide bilayers as building blocks for the photonic crystal fabrication.

L’utilizzo di ossidi metallici in optoelettronica e fotonica è cresciuto rapidamente durante gli ultimi decenni grazie alla loro promettente struttura elettronica e le loro proprietà ottiche ed elettriche. Nel caso particolare del fotovoltaico organico (OPV) il loro uso come strati per raccogliere la carica o come elettrodi ha migliorato le prestazioni del dispositivo, nonché la sua stabilità per via dell’interazione con l’atmosfera e l’ossigeno. Ciò rende tale tecnologia un buon candidato per la produzione di energia solare su larga scala. Inoltre, la ridotta richiesta di energia da parte dell’elettronica portatile ha aperto all’OPV un’ampia gamma di applicazioni di nicchia per l’elettronica a bassa potenza (per lo più applicazioni indoor) come la sensoristica in remoto, sistemi d’identificazione a radio-frequenza (RFID), schermi e altri dispositivi compatti che possono essere alimentati da celle OPV. Oltre alle loro potenzialità come strati per il trasporto di carica, gli ossidi metallici possono essere anche utilizzati per la manipolazione della radiazione luminosa come nel caso dei cristalli fotonici. L’ingegnerizzazione dei diversi strati di ossidi metallici dei cristalli fotonici rende possibile il controllo delle loro proprietà permettendo applicazioni OPV e molti altri campi di ricerca come i sensori, i laser e gli switch ottici. Comunque, in tutti questi casi, la reale applicabilità commerciale di queste nuove tecnologie sarà determinata in prima battuta dal costo dei materiali e la scalabilità della produzione in linee di produzione industriale che permettono deposizione su larga area, su moduli flessibili e leggeri. Per superare questi problemi, lo sviluppo di questi ossidi metallici per la fabbricazione di strati per il trasporto di carica o di cristalli fotonici si deve basare su protocolli che impieghino processi in soluzione e materiali abbondanti sul pianeta, compatibili con le linee di deposizione a larga scale, come sheet-to-sheet (S2S) o roll-to-roll (R2R), già disponibili nel settore industriale. Per questa ragione, abbiamo utilizzato tecniche sol-gel per la sintesi di nanoparticelle metalliche come materiali precursori per la produzione di strati d’intermezzo per OPV e cristalli fotonici monodimensionali (1DPCs). Sono stati sintetizzati materiali come ZnO, TiOx, WO3, MoO3 e V2O5. Successivamente, i film corrispondenti sono stati realizzati con tecniche di deposizione differenti e usando diversi condizioni. Questi ossidi metallici basati su tecniche sol-gel sono stati studiati per tre applicazioni principali. Primo, per la fabbricazione di dispositivi OPV materiali non-fullerenici a basso costo come i derivati di perilene-dimide (PDI). L’utilizzo di ZnO come strato raccoglitore di elettroni ha permesso di evincere il ruolo dell’architettura del dispositivo sulla prestazione delle celle solari non-fullereniche, ottenendo un miglioramento significativo dell’efficienza della conversione di potenza fino al 3.7%. Secondo, per la fabbricazione delle architetture scalabili OPV integrabili in moduli. La compatibilità con la stampa di inchiostri di questi ossidi metallici in soluzione ha permesso la fabbricazione di moduli facilmente collegabili con fill factor alto che possono essere utilizzati indoor e outdoor. In ultimo, per la fabbricazione e la modulazione delle proprietà ottiche di 1DPC potenzialmente utilizzabili come retroriflettori in OPV, switch elettro-ottici, sensori e emettitori. Una modulazione elettro-indotta della zona proibita fotonica è stata dimostrata utilizzando bistrati che alternano metalli e ossidi metallici come mattoncini di partenza per la fabbricazione di cristalli fotonici.