Spray coating technique for organic solar cells fabrication

The energetic issues, that lately arose from the continuous increasing demand, underlie the recent significant diffusion of photovoltaics. Such renewable source is found to be in tune with the by now common pursuit of sustainable solutions. Important effort has been put in the development of the field, especially for what concerns the silicon-based technology, which nowadays represents the benchmark for the industry. Other streams, which refer to alternative materials, are found to participate in this growth. A particularly innovative contribution has been given by the organic technology. Considering the development of coating and printing techniques in various fields of the industry, it becomes evident how the potential of solution processable devices can be decisive for an effective production of electronic systems, and in particular for large area applications like photovoltaics. Among such techniques, the coating of surfaces via spray deposition has been drawing the attention of the scientific community as well as of the industry. Its compatibility with roll-to-roll processes, the easy patterning, together with the high speed are only some of the advantages which portray the undeniable suitability of the process for large area production. So that a obvious question arises: "Is it possible to spray a solar cell?", and mainly "Is it worth it?" While the first question already found a positive answer from the recent research results, the second question needs definitely a much higher level of understanding on several figures of evaluation. The aim of my work was to contribute in such understanding, focusing on the fabrication and the characterization of small 1 cm^2 area devices. The starting point of my investigation consisted in the problem of how to coat a substrate with a liquid. The main issues concerning the lack of control on the deposition which spray coating simplicity turns into had to be analysed. The secon stage of this work consisted in the characterization of devices whose structure was partially fabricated by mean of spray coating.

Nel mio lavoro di tesi ho affrontato l’analisi della tecnica di spray coating impiegata per realizzare film sottili nella fabbricazione di celle solari organiche. Tale tecnica consiste nel deporre soluzioni contenenti materiali organici attraverso la loro nebulizzazione ed espulsione utilizzando un ugello dotato di testina vibrante agli ultrasuoni. La semplicità del processo è chiaramente il principale punto di forza in vista di una sua estensione nel campo industriale. Tuttavia risulta fondamentale il fatto che la tecnica spray non prevede alcuna forza esterna agente sulla soluzione depositata che assicuri una sua corretta distribuzione. Tecniche classiche di solution processing, quali spin-coating e blade-coating, prevedono dopo la deposizione opportune sollecitazioni esterne per ottenere un film liquido sottile e uniforme. Solo in questo modo è infatti possibile assicurare che, a seguito del processo di evaporazione, il layer organico presenti accettabile uniformità di spessore. Tale richiesta non è quasi mai un problema nelle applicazioni generiche dello spray per coating industriale. Le specifiche legate alla produzione di dispositivi elettronici coinvolgono però valori di accuratezza nell’ordine delle decine di nanometri. Una profonda comprensione del fenomeno di evaporazione delle soluzioni è stata perciò necessaria in modo da individuare le questioni critiche che influenzano la qualità di una deposizione spray. L’analisi degli effetti di tensione superficiale dei solventi e di flussi interni mossi dal disomogeneo processo di evaporazione in superficie al layer liquido sono risultati i punti chiave per l’interpretazione dei risultati. Particolare attenzione è stata dedicata a ciò che rappresenta la principale fonte di disuniformità per tutte le deposizioni del tipo solution casting, conosciuto in letteratura come coffee ring effect. Dato l’insuccesso di tutti i tentativi di deposizione da singolo solvente, ho proceduto nel considerare una tecnica a due solventi. In letteratura è chiaro come essa abbia permesso in numerosi casi la risoluzione di problemi di uniformità, soprattutto per deposizioni ink-jet printing. Trattando perciò composizioni di solventi, scelti sulla base dei valori di tensione superficiale e punto di ebollizione, è stato possibile migliorare le proprietà di wetting della soluzione, ma soprattutto evitare la prematura contrazione del layer liquido durante l’evaporazione. Quest’ultimo fenomeno rappresentava infatti la principale causa di degradazione di uniformità nella superficie finale dei film organici. Valutati gli effetti dei parametri di processo in gioco, mi sono concentrato sull’ottimizzazione delle deposizioni per i layers di PEDOT:PSS e P3HT:PCBM. Per il primo blend è stato possibile ottenere film con modesto controllo dello spessore e dell’uniformità considerando una miscela di acqua e isopropanolo. Le pessime proprietà di wetting dell’acqua, che però rappresenta il miglior solvente per il PEDOT:PSS, sono state compensate dalla bassa tensione superficiale dell’isopropanolo. Ciò ha consentito, a temperatura ambiente, un efficace assestamento e uniforme evaporazione del layer liquido. Analoghe investigazioni sono state fatte per il P3HT:PCBM. Aggiungendo una frazione di mesitilene alla originale soluzione a base di orto-diclorobenzene è stato possibile eliminare, o quanto meno confinare ai bordi del substrato, il coffee ring effect che contaminava la qualità dei layers nei primi esperimenti. Una seconda fase di studio legato alla caratterizzazione elettronica di celle solari fabbricate via spray coating si è conclusa nel dimensionamento dello spessore ottimale e del trattamento termico per il layer attivo. Tali investigazioni hanno portato al raggiungimento di prestazioni confrontabili con quelle delle celle di riferimento ottenute tramite spin-coating.