From lab to fab : fabrication of solution processable flexible solar devices by 3D printer-based coater

The aim of this work was the development of a low-cost technology able to simulate a roll-to-roll or a sheet-to-sheet process for the production of flexible polymer solar cells with inverted architecture. The basic idea was to add new functions to a commercial 3D-printer for fused deposition modelling, in order to transform it into a solution-dispensing system. Then, two different printing heads were added to the solution-dispensing system: a slot-die coater for the fabrication of monodimensional coatings (stripes) and a direct writing system for the realization of patterned electrodes. In particular the slot-die coater was designed in such a way that it contributed to a drastic reduction of operative expenditure, requiring less than 1 mL of holdup volume. At the beginning, the optimization of processing parameters was studied, especially focusing on the coating rate. In this phase of the experimental work, solar cells were fabricated by processing only one layer at a time with the previously mentioned techniques and processing all the remaining ones by means of laboratory conventional techniques (such as spin coating and screen printing) whose processing conditions have been optimized in previous works by the research group. The optimized processing conditions for each layer have been found by means of the electrical characterization of solar devices. Moreover, the correlation between device performance and morphology of the printed layer was found by sustaining the PV characterization with an intensive work of other characterization techniques. For each ink, a reological characterization was needed to check whether the ink was able to meet the requirements of slot-die coating. Moreover, thickness, topography and morphology of each film processed by means of slot-die coating were characterized using optical profilometry and AFM. For some of the layers, UV-vis spectroscopy was used to investigate their optical properties. Once the optimized conditions were found for all the layers, fully printed devices were fabricated both onto glass/ITO substrates and PET/ITO substrates. Their performances were compared with control devices (entirely processed with laboratory techniques), showing comparable (although slightly lower) performances, mostly related to the full fabrication in ambient and to the lack in photoactive layer treatment after its deposition. Overall, this thesis work demonstrates the realization of a low-cost technology that is able to simulate a sheet-to-sheet process used to produce polymer solar cells from solution, starting from a commercial 3D printer. Its ability of fabricating solar devices has been demonstrated and an optimization of some processing parameters has been carried out. This work provides a new route for the lab-to-fab transition allowing the study of roll-to-roll processes with a low capital and operative expenditure.

L’obiettivo di questo lavoro è quello di sviluppare una tecnologia a basso costo in grado di simulare un processo roll-to-roll o sheet-to-sheet per la produzione di celle solari polimeriche flessibili ad architettura invertita. L’idea di partenza è stata quella di aggiungere nuove funzioni ad una stampante 3D per fused deposition modelling, per trasformarla in un sistema che fosse in grado di erogare soluzione a partire da una pompa a siringa. Quindi, sono state aggiunte due diverse teste di stampa ossia uno slot-die coater per la fabbricazione di coating monodimensionali e un sistema di direct writing per la realizzazione di elettrodi. In particolare lo slot-die coater è stato progettato in modo da ridurre drasticamente le spese operative. Inizialmente si è cercato di studiare un metodo per ottimizzare i parametri del processo, focalizzandosi specialmente sulla velocità di deposizione. In questa fase di lavoro sperimentale, le celle solari sono state fabbricate processando un solo layer alla volta con la tecnica sopracitata e processando tutte le rimanenti attraverso tecniche standard di laboratorio (come ad esempio lo spin coating e lo screen printing), le cui condizioni di processo erano state ottimizzate in precedenti lavori da parte del gruppo di ricerca. Le condizioni di processo ottimizzate per ogni layer sono state messe a punto attraverso la caratterizzazione elettrica dei dispositivi solari. Inoltre, la correlazione tra le prestazioni dei dispositivi e la morfologia dei layer stampati è stata trovata affiancando la caratterizzazione elettrica del dispositivo fotovoltaico con un ingente lavoro di caratterizzazione dei layer stampati. Per ciascun layer del dispositivo si è resa necessaria una caratterizzazione reologica dell’inchiostro utilizzato per comprendere se in grado di soddisfare i requisiti richiesti dallo slot-die coating. Inoltre, sono stati caratterizzati gli spessori, la topografia e la morfologia di ogni layer processato per slot-die coating utilizzando tecniche di profilometria ottica e microscopio AFM. Per alcuni dei suddetti layer sono state caratterizzate le loro proprietà ottiche tramite spettroscopia UV-visibile. Una volta che le condizioni ottimizzate sono state individuate per tutti i layer, sono stati realizzati dispositivi totalmente stampati con le tecnologie sviluppate in questo lavoro sia su substrati vetro/ITO che su PET/ITO. In seguito, essi sono stati confrontati con dispositivi standard, realizzati invece con tecniche di laboratorio non scalabili industrialmente, mostrando prestazioni comparabili, anche se leggermente inferiori, legate non solo al fatto che l’intero processo di fabbricazione è stato realizzato in atmosfera non controllata ma anche per la mancanza di un trattamento allo strato fotoattivo dopo la sua deposizione. In conclusione, questo lavoro di tesi dimostra la realizzazione di una tecnologia low-cost che sia in grado di simulare un processo sheet-to-sheet utilizzato per produrre celle solari polimeriche a partire da soluzione, partendo da una comune stampante 3D. E’ stata dimostrata la capacità di questa tecnologia di realizzare dispositivi solari ed è stata effettuata un’ottimizzazione di alcuni parametri di processo. Questo lavoro fornisce una nuova alternativa per la cosiddetta lab-to-fab transition permettendo di simulare processi roll-to-roll con un basso costo capitale ed operativo.