LIGHT HARVESTING CAPACITORS

Over the last decade, organic semi-conductive materials have attracted increasing interest in the field of photovoltaic energy harvesting (OPV). They are easy to fabricate, cheap and environmental-friendly. However, the maximum efficiencies that have been achieved are barely above 10%. The main restriction with organic semi-conductive materials lays in their limited conductivity, which is usually thousands of times smaller if compared to the characteristic one for their inorganic counterparts. Trying to solve this problematic, a new light harvesting concept is presented in this master thesis: the light harvesting capacitor (LHC). The fundamental advantage of LHCs lays in the fact that the charge transport is completely removed thanks to the addition of two insulant layers to the classic OPV heterojunction. This work focuses firstly on the development of a physical model, then on devices fabrication and finally on their characterization. As already mentioned the starting point was the development of a theoretical model on MATLAB to predict the parameters dependency. After that, the focus switched to the analysis of the donor/acceptor couple: copper phthalocyanine (CuPc) and fullerene (C60). Specifically, a study of the active bi-layer was performed with both ultrafast and steady-state pump-probe spectroscopies. This was done to observe the exciton splitting mechanism and the lifetime of the separated charges within the active layer itself. Regarding the actual device fabrication, both the two small molecules were thermally evaporated on top of the insulant layer and then enclosed by an additional one. In order to verify the accuracy of the theoretical model predictions, three different dielectric materials were exploited at three different thicknesses each: a spin-coated PMMA, a thermally evaporated ZrO2 and an atomic layer deposited (ALD) TiO2. Given the semi-conductive character of titanium dioxide, a preventive study was performed to verify its appropriateness as an insulant material. All the structures were tested measuring the time-resolved current generated under light and dark cycles at different frequencies. The transient photo-current was then integrated to obtain the stored charge allowing the computation of the final external efficiency. Although the values obtained were rather far from the simulated ones, indicating a necessary optimization of the active bi-layer, the increase ratios associated to the insulant material changes were properly predicted. This was actually not completely true when the employed insulant was TiO2 since the efficiency rise was definitely higher than expected. The explanation for that was found in the atypical behavior of titania which was therefore selected as the most performing insulant to use for LHCs fabrication. Finally, the aim of the last section was the study of the light intensity effect on the device performance in order to verify the accuracy of another aspect of the theorized physical model. Some puzzling results were found, indicating that further studies on this promising device need to be done.

Nel corso dell’ultimo decennio, i materiali organici semiconduttivi hanno attirato un crescente interesse nel campo del fotovoltaico, in quanto facili da fabbricare, economici e con un basso impatto ambientale. Tuttavia, la massima efficienza raggiunta è di poco superiore al 10%. Il principale ostacolo all’utilizzo dei materiali organici semiconduttivi risiede nella loro limitata conducibilità, che è migliaia di volte inferiore a quella delle loro controparti inorganiche. Per cercare di risolvere questo problema, un nuovo concetto per la raccolta di energia verrà presentato in questa tesi magistrale: il light harvesting capacitor (LHC). Il vantaggio fondamentale risiede nel fatto che qualsiasi meccanismo di trasporto di carica è completamente rimosso grazie all’aggiunta di due strati elettricamente isolanti alla classica struttura organica. L’elaborato si concentra inizialmente sulla creazione di un modello fisico, successivamente sulla fabbricazione di dispositivi ed infine sulla loro caratterizzazione. Il modello teorizzato, che mira a predire la dipendenza del sistema dai diversi parametri, è stato sviluppato su MATLAB. In seguito, l’attenzione si è spostata sull’analisi della coppia donatore/accettore ftalocianina di rame (CuPc) e fullerene (C60). Nello specifico è stato effettuato uno studio dello strato attivo utilizzando due diverse spettroscopie pump-probe per osservare il meccanismo di separazione di carica e il loro tempo di decadimento. Passando alla fabbricazione vera e propria, entrambe le small molecule sono state evaporate termicamente su un film di materiale isolante e racchiuse da un ulteriore strato del medesimo. Per verificare l’accuratezza del modello, sono stati utilizzati tre diversi materiali dielettrici, ciascuno a tre differenti spessori: spin-coated PMMA, ZrO2 termicamente evaporato e ALD TiO2. Dato il carattere semiconduttivo dell’ossido di titanio, è stato svolto uno studio preventivo per verificarne l’idoneità come materiale isolante. Tutte le diverse strutture sono state caratterizzate misurando la corrente generata tramite cicli luce-buio a diverse frequenze. Questa corrente è stata poi integrata per ricavare la carica immagazzinata nel dispositivo e quindi l’efficienza esterna. Anche se i valori risultanti sono decisamente più bassi di quelli simulati, indicando che un’ottimizzazione dello strato attivo è indispensabile, gli incrementi ottenuti con le variazioni sul materiale isolante si avvicinano alle predizioni del modello. È bene puntualizzare come quest’ultima affermazione non sia del tutto vera quando si utilizza TiO2, in quanto la crescita in efficienza riscontrata è stata di molto superiore alle aspettative. La spiegazione per questo fenomeno risiede nel comportamento atipico della titania, che è stata quindi selezionata come il miglior dielettrico da utilizzare nella fabbricazione di LHC. Infine, nell’ultima parte della tesi, è stato studiato l’effetto dell’intensità luminosa sulla performance del dispositivo, così da verificare l’accuratezza di un altro aspetto del modello fisico. Tuttavia i risultati ottenuti non sono conclusivi, indicando come sia necessario studiare più approfonditamente questi promettenti dispositivi.