Fabrication and analysis of organic solar cell : study about doping effect on SubPc organic layer

Nowadays, world population is facing the problem of limited energy resources. In the past 30 years, organic solar cells (OSCs) have increased their power conversion efficiency from 1% up to 11%, taking the attention of global community to these devices. This improvement has been possible thanks to optimization in material synthesis and development of engineering techniques. OSCs are considered as one of the future high potential molecular electronic applications, with the advantage of low cost production of printable and flexible devices. Nevertheless, scientists believe that there is still much to learn about this technology, limiting themselves for the moment to optimizing performance, thus not making it possible to produce and distribute efficient OSCs on a large scale to satisfy energy needs of modern society. Organic semiconductors have a wide range of important properties, and certainly one of them is their natural structural disorder: this entails to ubiquity of impurities in organic materials. Even if defects don’t trap carriers, they act both as traps and center of scattering for electric charges carriers, dominating the transportation and extraction phenomena. Despite this, specific studies about charge trapping and recombination are still under investigation. In this work, I studied issues about trapping and recombination, focused my experiment on the modification of electrical properties at interfaces, and trying to understand how to improve efficiency in OSCs, by combining the use of both different structures and different doping elements. In organic solar cells, an interface exists between the organic molecules and the electrode made of an inorganic material; the electrical properties of this interface affect the performance of the cells. One of the methods used to improve the electrical properties of an interface is to introduce a buffer layer between the organic molecules and the electrode. In heterojunction OSCs composed of phthalocyanine and C60, bathocuproine (BCP) is used as a buffer layer between C60 and metal cathode to improve the cell efficiency. The role of the BCP buffer layer, however, has not been clearly understood yet. I specify that the work carried out has been negatively influenced by the COVID-19 pandemic, which we are still going through. Due to closures and restrictions, much of the initial experimental work could not be done. Following this, I wanted to expand the bibliographic research aimed at filling the gaps in the experimental part. However, the data obtained in the laboratory have demonstrated what has already been reported in the literature, and hold open the hope that this new technology may find applications in everyday life in the not too distant future.

Al giorno d’oggi, la popolazione mondiale sta affrontando il problema di una limitata disponibilità di risorse energetiche. Negli ultimi 30 anni, le organic solar cells (OSC) hanno aumentato la loro efficienza dall’1% fino all’11%, attirando l’attenzione della comunità mondiale su questi dispositivi. Questo miglioramento è stato possibile grazie all’ottimizzazione dei materiali sintesi dei materiali e allo sviluppo di tecniche ingegneristiche. Le OSC sono considerate come una delle future applicazioni elettroniche molecolari ad alto potenziale, con il vantaggio di un basso costo di produzione per fabbricare dispositivi stampabili e flessibili. Tuttavia, gli scienziati ritengono che ci sia ancora molto da studiare riguardo questa tecnologia, limitandosi per il momento a ottimizzare le prestazioni, non rendendo così possibile la produzione e la distribuzione di OSC efficienti su larga scala per soddisfare le esigenze energetiche della società moderna. I semiconduttori organici hanno una vasta gamma di proprietà importanti, e certamente una di queste è il loro naturale disordine strutturale: questo comporta l’ubiquità delle impurità nei materiali organici. Anche se i difetti non intrappolano i portatori di carica, essi agiscono sia come trappole che come centro di scattering per i portatori di cariche elettriche, dominando i fenomeni di trasporto e di estrazione. Nonostante questo, studi specifici sulla cattura e ricombinazione delle cariche sono ancora oggetto di studi ulteriori. In questo lavoro, ho studiato i problemi di efficienza nelle OSC , focalizzando i miei esperimenti sulla modifica della composizione, e cercando di capire come migliorare l’efficienza degli OSC, combinando l’uso di diverse strutture che di diversi elementi di drogaggio. Nelle celle solari organiche, esiste un’interfaccia tra le molecole organiche e l elettrodo fatto di un materiale inorganico; le proprietà elettriche di questa interfaccia influenzano il rendimento delle celle. Uno dei metodi utilizzati per migliorare le proprietà elettriche proprietà elettriche di un’interfaccia è quello di introdurre uno strato buffer tra le molecole organiche e l’elettrodo. Negli OSC a eterogiunzione composti da ftalocianina e C60, il bathocuproine (BCP) è usata come strato buffer tra il C60 e il catodo metallico per migliorare l’efficienza della cella. Il ruolo dello strato buffer BCP, tuttavia, non è stato ancora chiaramente compreso. Preciso che il lavoro svolto è stato influenzato in maniera negativa dalla pandemia di COVID-19, che stiamo tutt’ora attraversando. A causa delle chiusure e delle restrizioni, non è stato possibile svolgere una buona parte del lavoro sperimentale previsto inizialmente. A seguito di ciò, ho voluto ampliare la ricerca bibliografica volta a colmare le lacune nella parte sperimentale. I dati che sono stati ottenuti in laboratorio hanno tuttavia dimostrato quanto già riportato in letteratura, e tengono aperta la speranza che questa nuova tecnologia possa trovare, in un futuro non troppo lontano, applicazioni nella vita di tutti i giorni