Transparent electrodes are a key component in new photovoltaic devices. With the development of organic and hybrid solar cells, electrical conductivity and optical transparency of transparent electrodes must be accompanied by other functionalities, such as large surface area, effective light management, preferential charge transport directions, mechanical flexibility and compatibility with polymer substrates. This work describes the investigation of the structure/property relation in nanostructured Al-doped ZnO (AZO), with the aim of obtaining multifunctional AZO transparent electrodes by room temperature Pulsed Laser Deposition, with the functional properties mentioned above. By a deep investigation of the structure/property relation in AZO with different morphologies, state-of-the-art compact transparent conducting films and mesoporous forest-like hierarchically assembled layers, optimal for light scattering and trapping, were obtained at room temperature. The properties of interest were combined by two independent approaches, leading to the synthesis of electrically conducting AZO nano-forests and functionally graded architectures, which were tested to demonstrate a significant improvement in light harvesting for of organic photovoltaic applications.

Gli elettrodi trasparenti sono un componente fondamentale dei dispositivi fotovoltaici di nuova generazione. Con l'avvento delle celle solari organiche e ibride, la conducibilità elettrica e la trasparenza alla luce visibile non sono più sufficienti, ma devono essere accompagnate da altre proprietà particolari, come un'elevata area superficiale, la capacità di intrappolare la luce, la presenza di direzioni di trasporto preferenziali per le cariche, la flessibilità e la compatibilità con substrati polimerici. Questo lavoro descrive lo studio della relazione struttura/proprietà in film nanostrutturati di ossido di zinco drogato con alluminio (AZO), per ottenere elettrodi trasparenti multifunzionali sintetizzati a temperatura ambiente mediante ablazione a laser pulsato, con le proprietà funzionali sopra elencate. Attraverso un'indagine approfondita della relazione tra struttura e proprietà in film di AZO con diversa morfologia, sono stati ottenuti conduttori trasparenti compatti con proprietà allo stato dell'arte, e film mesoporosi con una struttura gerarchica a forma di foresta che garantisce la diffusione e l'intrappolamento della luce. La possibilità di combinare le proprietà d'interesse è stata ottenuta attraverso due approcci indipendenti, che hanno condotto allo sviluppo di nano-foreste conduttive di AZO e di architetture con variazioni graduali di morfologia, che sono state testate ottenendo un aumento significativo dell'efficienza di raccolta della luce solare per applicazioni ai dispositivi fotovoltaici organici.

Nanostructured transparent conducting oxides for advanced photovoltaic applications

GONDONI, PAOLO

Abstract

Transparent electrodes are a key component in new photovoltaic devices. With the development of organic and hybrid solar cells, electrical conductivity and optical transparency of transparent electrodes must be accompanied by other functionalities, such as large surface area, effective light management, preferential charge transport directions, mechanical flexibility and compatibility with polymer substrates. This work describes the investigation of the structure/property relation in nanostructured Al-doped ZnO (AZO), with the aim of obtaining multifunctional AZO transparent electrodes by room temperature Pulsed Laser Deposition, with the functional properties mentioned above. By a deep investigation of the structure/property relation in AZO with different morphologies, state-of-the-art compact transparent conducting films and mesoporous forest-like hierarchically assembled layers, optimal for light scattering and trapping, were obtained at room temperature. The properties of interest were combined by two independent approaches, leading to the synthesis of electrically conducting AZO nano-forests and functionally graded architectures, which were tested to demonstrate a significant improvement in light harvesting for of organic photovoltaic applications.
BOTTANI, CARLO ENRICO
BOTTANI, CARLO ENRICO
LI BASSI, ANDREA
16-lug-2014
Gli elettrodi trasparenti sono un componente fondamentale dei dispositivi fotovoltaici di nuova generazione. Con l'avvento delle celle solari organiche e ibride, la conducibilità elettrica e la trasparenza alla luce visibile non sono più sufficienti, ma devono essere accompagnate da altre proprietà particolari, come un'elevata area superficiale, la capacità di intrappolare la luce, la presenza di direzioni di trasporto preferenziali per le cariche, la flessibilità e la compatibilità con substrati polimerici. Questo lavoro descrive lo studio della relazione struttura/proprietà in film nanostrutturati di ossido di zinco drogato con alluminio (AZO), per ottenere elettrodi trasparenti multifunzionali sintetizzati a temperatura ambiente mediante ablazione a laser pulsato, con le proprietà funzionali sopra elencate. Attraverso un'indagine approfondita della relazione tra struttura e proprietà in film di AZO con diversa morfologia, sono stati ottenuti conduttori trasparenti compatti con proprietà allo stato dell'arte, e film mesoporosi con una struttura gerarchica a forma di foresta che garantisce la diffusione e l'intrappolamento della luce. La possibilità di combinare le proprietà d'interesse è stata ottenuta attraverso due approcci indipendenti, che hanno condotto allo sviluppo di nano-foreste conduttive di AZO e di architetture con variazioni graduali di morfologia, che sono state testate ottenendo un aumento significativo dell'efficienza di raccolta della luce solare per applicazioni ai dispositivi fotovoltaici organici.
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