Fully printed ITO-free organic solar cells for indoor applications

In recent years organic solar cells have become an increasingly attractive solution for powering portable electronics and IoT (Internet of Things) devices. Alternative materials are needed to avoid Indium Tin Oxide (ITO), widely used as electrode in optoelectronics application for its electrical conductivity and optical transparency. ITO is brittle, expensive and its market is potentially fragile: ITO substitution is necessary for the development of low-cost and flexible photovoltaic devices. This thesis work is a collaboration with RibesTech SRL, a young start-up born in March 2016 whose area of interest include organic photovoltaics for outdoor and indoor applications. The research work described here refers to the fabrication of ITO-Free photovoltaic devices for Indoor light conditions (supermarkets, offices, public buildings etc...). The polymer conductor PEDOT:PSS has been used as alternative electrode: PEDOT:PSS is less expensive, solution processable, can be adapted to low cost printing techniques and it doesn't fail upon bending. Several printing/coating techniques has been employed, operating both on small (0.15 cm2) and large active area devices(1.1 cm2). The final goal of this work is to develop a reproducible method for the fabrication of ITO-free photovoltaic modules for real applications. A power conversion efficiency comparable to ITO-based devices (>7%) has been reached on large area: the final optimized structure is based on Bar Coating and Screen Printing, techniques that can be adapted to fast roll-to-roll (R2R) processes. Aspects to be improved include short-term stability (1-2 years) and the need of UV exposure to avoid detrimental effects on the current-voltage characteristics of the device. In terms of conversion efficiency and process ITO substitution has been successful.

In anni recenti i dispositivi fotovoltaici basati su materiali organici sono diventati una soluzione interessante per alimentare piccole apparecchiature elettroniche e dispositivi IoT (Internet of Things). L'ossido di indio-stagno (ITO) è tra i materiali principali utilizzati come elettrodi in dispositivi optoelettronici e nelle celle solari organiche per via delle ottime proprietà di conducibilità e trasparenza: materiali alternativi sono necessari in quanto l'ITO è fragile, costoso e il suo mercato è potenzialmente a rischio. La sua sostituzione è importante per lo sviluppo di dispositivi fotovoltaici flessibili a basso costo. Questo lavoro di tesi è il risultato della collaborazione con RibesTech SRL, una giovane start-up nata nel Marzo 2016 i cui interessi comprendono il fotovoltaico organico per applicazioni indoor e outdoor. L'esperienza qui descritta è orientata alla fabbricazione di dispositivi ITO-free per ambienti Indoor (supermercati, uffici, edifici pubblici etc...). Il polimero PEDOT:PSS è stato scelto come elettrodo alternativo: è meno costoso, processabile in soluzione, può essere stampato con tecniche low-cost e resiste agli stress meccanici. Differenti tecniche di stampa sono state provate sia su area attiva piccola (0.15 cm2) che su area attiva più grande (1.1 cm2). L'obiettivo finale della tesi è lo sviluppo di un metodo stabile per la fabbricazione di dispositivi fotovoltaici ITO-free per reali applicazioni. E' stata raggiunta un'efficienza di conversione su area grande paragonabile ai dispositivi con l'ITO (>7%): la struttura finale è basata su Bar Coating e Screen Printing, due tecniche di stampa adattabili facilmente a processi roll-to-roll (R2R). Gli aspetti migliorabili comprendono una stabilità modesta (1-2 anni) e la necessità di esporre i dispositivi a luce ultravioletta per evitare effetti peggiorativi sulla curva tensione-corrente del dispositivo. In termini di efficienza di conversione e di processo la sostituzione dell'ITO è stata compiuta con successo.