Undersökning av dopning i organiska dioder och solceller

Organiska solceller har gjort stora framsteg med avseende på effektivitet och stabilitet under det senaste årtiondet. Oavsiktlig dopning är ett ofta förekommande fenomen i organiska halvledare. Orenheter och defekter i halvledarmaterialet kan ge upphov till dopning. Dessutom kan organiska halvledare dopas över tid då de kommer i kontakt med syre eller fukt. I takt med att andra egenskaper optimeras och effektiviteten stiger blir dopningen en allt viktigare förlustprocess att ta i beaktande i organiska solceller. Målet med detta arbete har varit att bättre förstå dopningens inverkan på organiska dioder och solceller. Tanken var att med hjälp av två olika dopningsmolekyler åstadkomma avsiktlig dopning och på så sätt kontrollerat undersöka och skapa en bättre förståelse av hur dopningen påverkar egenskaperna hos organiska halvledare i dioder och solceller. För att undersöka dopningen har en mätmetod som baserar sig på laddningsextraktion med hjälp av en linjärt ökande spänning, kallad CELIV, använts. Teorin för mätmetoden har utvecklats för att analysera godtyckliga dopningsprofiler och för att ta i beaktande dopningsprofilen vid bestämning av mobiliteten. Metoden har, genom de experiment som utförts, bekräftats fungera väl för undersökning av dopning i organiska tunnfilmsdioder. De två dopningsmolekyler som använts har testats framgångsrikt för dopning av polymererna P3HT och PBTTT. Under arbetets gång kunde en viktig orsak till oavsiktlig dopning identifieras. Som selektivt håltransportlager vid anoden är molybdentrioxid ett av de mest använda materialen. I detta arbete visas att molekyler från ett tunt lager av molybdentrioxid diffunderar in i halvledarlagret och orsakar dopning. Dopningen i P3HT:PCBM till följd av ett molybdentrioxidlager är så hög att även tunna solceller, kring 100 nm, kommer att påverkas negativt på grund av ökad rekombination. Dopningen till följd av diffusion av molybdentrioxid är ett resultat som visar på ett behov att hitta nya alternativa material för håltransport. Ett alternativ kunde vara att använda kraftigt dopade organiska halvledare. För detta ändamål kan den avsiktliga dopning som här testats vara relevant. De experimentella resultat som ingår i denna avhandling bekräftar att CELIV-metoden lämpar sig väl för att mäta dopningskoncentration och dopningsprofiler i organiska dioder samtidigt som man kan erhålla information om laddningstransporten i halvledarlagret.

Ion modulated organic transistors

I likhet med vanliga plaster är de π-konjugerade polymererna flexibla, lösliga och processbara vid låga temperaturer (< 150 ºC). Därutöver har de egenskapen att leda ström. Konduktivitetsintervallet är brett och omfattar nästintill metallisk ledningsförmåga å ena sidan, via halvledarkonduktiva till isolerande å andra sidan. Polymererna utgörs av regelbundna kedjor av kolatomer och associeras sålunda till organiska material. Sedan de första vetenskapliga rapporterna publicerades vid slutet av 1970-talet har π-konjugerade polymerer använts och utvecklats i exempelvis solceller, dioder, lysdioder och transistorer. Nobelpriset i kemi tilldelades år 2000 åt Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger och Alan G. MacDiarmid för upptäckten och utvecklandet av ledande polymerer. I min avhandling har jag arbetat med att utveckla och förstå lågspännings jonmodulerade organiska transistorer. Två typer av jonmodulerade organiska transistorer studeras: (1) den jonmodulerade organiska fälteffekt transistorn (jonmodulerade OFETen), som utgör den centrala transistorn i avhandlingen, samt (2) den elektrokemiska transistorn. Den första typen fungerar som en konventionell OFET. Strömmen i halvledaren moduleras av det elektriska fältet över isolatorn. Med användandet av en elektrolyt ”isolator” orsakar polariseringen av jonerna däremot ett högt elektriskt fält vid elektrolyt/halvledargränssnittet och man åstadkommer modulering av strömmen redan vid några volts drivspänningar. I den andra typen utnyttjas elektrokemi för att medelst reduktion/oxidation modulera strömmen i den π-konjugerade polymeren. Ett viktigt ändamål i avhandlingen har också varit att kunna tillverka transistorerna med masstillverkningsmetoder. I avhandlingen presenteras de jonmodulerade organiska transistorernas möjlighet att framställas med masstillverkningsmetoder. Nya koncept introduceras och svagheter identifieras. Skillnaderna mellan OFETen, jonmodulerade OFETen och den elektrokemiska transistorn klargörs. Arbetet skall däremot inte anses fullbordat utan forskningen fortgår för att kringgå svagheterna, öka på transistorernas stabilitet och framförallt tillämpa dem i innovativa applikationer.

Printed low-voltage organic transistors on plastics and paper

The main advantage of organic electronics over the more widespread inorganic counterparts lies not in the electrical performance, but rather in the solution processability that opens up for low-cost flexible electronics (e.g. displays, sensors and smart tags) fabricated by using printing techniques. Replacing the commonly used laboratory-scale fabrication techniques with mass-printing techniques is, however, truly challenging, especially when low-voltage operation is required. In this thesis it is, nevertheless, demonstrated that low-voltage organic transistors can be fully printed with a similar performance to that of transistors made by laboratory scale techniques. The use of an ion-modulated type of organic field effect transistor (OFET) not only enabled low-voltage operation and printability, but was also found to result in low sensitivity to the surface roughness of the substrate. This allows not only the use of low-cost plastic substrates, but even the use of paper as a substrate. However, while absorption into the porous paper surface is advantageous in a graphical printing process, by reducing the spreading and the coffee-stain effect and by improving the adhesion, it provides great challenges when applying thin electrically active layers. In spite of these difficulties we were able to demonstrate the first low-voltage OFET to be fabricated on paper. We have also shown that low-cost incandescent lamps can be used for sintering printed metal-nanoparticles, and that the process was especially suitable on paper and compatible with a roll-to-roll manufacturing process.

Photoexcitation dynamics in organic solar cell donor/acceptor systems

Solceller presenteras ofta som ett miljövänligt alternativ för energiproduktion. Det största hindret för en bredare ibruktagning av kiselbaserade solceller är deras höga pris. I och med upptäckten av ledande och halvledande organiska (kolbaserade) molekyler och polymerer har ett nytt forskningsområde, organisk elektronik, vuxit fram. Den stora fördelen med organisk elektronik är att de använda materialen oftast är lösliga. Tillverkning av elektroniska komponenter kan då göras med hjälp av konventionella trycktekniker där bläcket ersatts med upplösta organiska material. Detta har potential att betydligt sänka priset för solceller. Nackdelen med organisk elektronik är att de använda materialen är komplexa, och de fysikaliska processerna i dem likaså. I min avhandling har jag studerat fotofysiken i två polymerer, P3HT och APFO3, som kan användas för att tillverka organiska solceller. Blandade med fullerenderivatet PCBM, som är en stark elektronacceptor, fås ett material som effektivt producerar elektroner och hål under belysning. I praktiken bidrar dock inte alla skapade laddningar till strömmen ur solcellen. Elektronerna och hålen kan förbli bundna till varandra i olika exciterade tillstånd, och även de som är fria kan träffa på motsatta laddningar under vägen till kontakterna och rekombinera. Centralt i mitt arbete har varit att identifiera olika typer av exciterade tillstånd i dessa solcellsmaterial, samt att bestämma deras livstider och rekombination. Metoden för detta har varit s.k. fotoinducerad absorption, som mäter fotoexcitationernas absorptioner i infraröda våglängdsområdet. De två viktigaste resultaten som presenteras i avhandlingen är en ratekvationsmodell för fotoexcitationsdynamiken i APFO3 på ultrasnabba tidsskalor (femtosekund - microsekund) och bildandet av en rekombinationshämmande dipol vid gränsytan för P3HT och PCBM som följd av värmebehandling. Dessa resultat bidrar till förståelsen av de fotofysikaliska processerna i relaterade material.

Interfacial effects in organic solar cells

Solceller baserade på organiska halvledare erbjuder en möjlighet till storskalig och billig solenergiproduktion. Organiska halvledare har den fördelen att de är lösningsprocesserbara vilket gör att solceller och andra elektroniska komponenter baserade på dessa halvledare kan tillverkas vid låga temperaturer och med liten energiförbrukning. Nackdelen med dessa material är deras strukturella och energetiska oordning som leder till lägre effektivitet. För att organiska solceller ska kunna kommersialiseras krävs grundläggande insikter i de olika processer som begränsar effektiviteten. En stor del av forskningen om dessa processer har varit fokuserad kring egenskaperna av solcellens olika komponenter (de aktiva materialen) som sådana, medan gränsytorna mellan olika material har fått mindre uppmärksamhet. Gränsytor mellan olika material har distinkt olika egenskaper jämfört med ett rent material, och gränsytors olika egenskaper kan ha en väldigt stor inverkan på hur solcellerna fungerar. Syftet med denna avhandling är att klargöra några olika gränsyterelaterade effekter i organiska dioder och solceller. De gränsytor som behandlas är gränsytan mellan kontakten och det aktiva lagret (metall-organisk) och gränsytan mellan donor och acceptor (organisk-organisk). Resultaten visar att metall-organiska gränsytor måste designas noggrant för att begränsa förlust av effektivitet. En icke-idealisk kontakt leder till starkt reducerad effektivitet på grund av att elektronerna extraheras ineffektivt. Även till synes idealiska kontakter kan orsaka förluster genom spontan laddningsöverföring från metallen till det organiska lagret som effektivt sett minskar på den spänning som cellen kan alstra. Den organisk-organiska gränsytan påverkar hur mycket ström cellen kan alstra och beroende på gränsytans beskaffenhet kan de negativa rekombinationsprocesserna i materialet kontrolleras. ------------------------------------------------- Orgaanisille puolijohteille perustuvat aurinkokennot mahdollistavat suurimuotoisen ja edullisen aurinkoenergiatuotannon. Orgaanisten puolijohteiden etu on että ne voidaan liuottaa, jolloin aurinkokennot ja muut näille johteille perustuvat elektroniset komponentit voidaan valmistaa alhaisessa lämpötilassa kuluttaen vähän energiaa. Materiaalien huonona puolena on kuitenkin niiden rakenteellinen ja energeettinen epäjärjestys, jonka seurauksena niiden tehokkuus on huonompi. Orgaanisten aurinkokennojen kaupallistaminen edellyttää perustavanlaatuista ymmärystä tehokkuutta rajoittavista prosesseista. Aurinkokennotutkimus on pääosin keskittynyt aurinkokennon eri komponenttien (aktiivisten materiaalien) ominaisuuksiin, kun taas eri materiaalien rajapinnat ovat jääneet vähemmälle huomiolle. Eri materiaalien välisillä rajapinnoilla on huomattavan erilaisia ominaisuuksia verrattuna puhtaisiin materiaaleihin. Rajapintojen ominaisuudet voivat kuitenkin vaikuttaa merkittävästi aurinkokennojen toimintaan. Tämän väitöstutkimuksen tarkoituksena on selventää joitain rajapintoihin liittyviä toimintoja orgaanisissa diodeissa ja aurinkokennoissa. Käsiteltävät rajapinnat ovat rajapinta kontaktin ja aktiivisen kerroksen välillä (metallis-orgaaninen) ja rajapinta donorin ja akseptorin välillä (orgaanis-orgaaninen). Tutkimustulokset osoittavat, että metallis-orgaaniset rajapinnat tulee suunnitella huolellisesti, jotta tehokkuuden alenemista voidaan rajoittaa. Mikäli kontakti ei ole ideaalisti suunniteltu, vähenee tehokkuus huomattavasti, mikä johtuu elektronien tehottomasta ekstrahoinnista. Jopa ideaalisilta vaikuttavat kontaktit voivat johtaa tehokkuuden alenemiseen, mikäli varaus siirtyy spontaanisti metallista orgaaniseen kerrokseen, sillä tämä alentaa jännitettä jonka kenno voi tuottaa. Kennon orgaanis-orgaaninen rajapinta vaikuttaa siihen, kuinka paljon virtaa kenno pystyy tuottamaan. Rajapinnan ominaisuuksista riippuen materiaalin rekombinaatio on hallittavissa.

Inverkan av indirekt rekombination på fotoinducerad absorption

I organiska halvledare påverkas mängden laddningsbärare kraftigt av indirekt rekombination, det vill säga processen då fria laddningsbärare försvinner genom att kombineras med orörliga laddningsbärare av motsatt laddning. De orörliga laddningsbärarna uppstår när laddningsbärare fastnar i fällor, som är energitillstånd med låg energi och densitet. Utöver indirekt rekombination sker även direkt rekombination mellan fria laddningsbärare. Då man tillverkar solceller av organiska halvledare påverkas effektiviteten av energidistributionen och rekombinationsprocesserna i materialen. Utveckling av olika metoder för undersökning av dessa egenskaper är således till nytta i jakten på bättre solcellsmaterial. Målet med detta arbete var att vidareutveckla dataanalysen för cwPA-mätningar(från engelska continuous-wave Photoinduced Absorption) för att ur resultaten få information om indirekt rekombination och fälldistributioner. I cwPA-mätningar studerar man fotoinducerad absorption, det vill säga förändringen i absorption hos ett prov då densiteten av fotogenererade laddningsbärare varierar. Laddningsbärarna genereras av ett pumpljus vars intensitet ges av en fyrkantsvåg som växlar mellan 0 och I med vinkelfrekvensen omega. Resultaten fås i form av i-fas-signal (PAI), som har samma frekvens och fas som pumpljuset, och kvadratur (PAQ), som har samma frekvens som pumpljuset men är fasförskjuten 90 grader. Fördelen med denna mätning är förutom känsligheten att den är kontaktlös, vilket gör att den visar egenskaperna hos det undersökta materialet utan att påverkas av elektriska kontakter. För att undersöka inverkan av indirekt rekombination på cwPA-mätningar simulerades mätresultat genom att använda numeriska beräkningar. Grunden för simuleringarna var att lösa differentialekvationer för densiteter av laddningsbärare i olika tillstånd. Beräkningarna använde en modell med transporttillstånd och fällor placerade så att energidistributionen var symmetrisk för elektroner och hål. Modellen antog att laddningsbärare inte kunde röra sig direkt mellan fällor utan endast via transporttillstånd. Från simuleringarna erhölls användbara samband mellan fotoinducerad absorption och olika fälldistributioner. Särskilt påverkade distributionerna i-fas-signalen för hög intensitet på pumpljuset och kvadraturen för låg frekvens på fyrkantsvågen. För en exponentiell fälldistribution hittades samband mellan mätresultat och distributionens karakteristiska energi (Ech) i förhållande till temperaturen (T). Dessa är för hög intensitet PAI~I^(1+Ech/kT) och för låg frekvens PAQ~omega^(kT/Ech). Resultaten visade att man kan skilja på en exponentiell fälldistribution, en gaussisk fälldistribution och ett system som domineras av direkt rekombination genom att göra cwPA-mätningar vid olika temperaturer.

Ramprogram solfångarutveckling och systematik. FoU 1997-1999. Slutrapport BFR projekt 19960605

Man kan förbättra energibesparingen på årsbasis för ett traditionellt svenskt kombisolvärmesystem från knappt 20 % för ett referenssystem till över 25 %. Alla de studerade systemen har 10 m2 solfångare, lika stor tank, och samma värme- och tappvarmvattenlast. Skillnaderna består endast i systemutformning. Arbetet har utförts genom mätningar i värmelaboratorium och simuleringsberäkningar. Inom området optisk design av solenergisystem har metoder utvecklats för: - analys av solinstråningens himmelsfordelning och asymmetriska årsfordelning - optimering av sollangare med reflektorer - optimering av solceller med tillsatsreflektorer Programmet PRESIM, grafisk indatabehandlare till simuleringsprogrammet TRNSYS, har vidareutvecklats i linje med användarnas önskemål, men förutsättningarna för fortsatt utveckling har försämrats. En förbättrad version, delvis finansierad av Statens energimyndighet och anpassad till TRNSYS 15.0, kommer att släppas under år 2000, men därefter kommer aktiviteten att ligga på en lägre nivå.

Rapport från 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition : Barcelona 6-10 juni 2005

På uppdrag av STEM bevakade Eva Lindberg från Centrum för solenergi-forskning, SERC, Högskolan Dalarna, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, 6-10 juni 2005. Ca 1700 personer fanns på deltagarlistan. På grund av konferensen omfattning kan endast ett litet urval av föredrag och utställare kommenteras i rapporten. Konferensprogrammet var indelat på följande områden:1. Grundläggande fakta, nya komponenter och material2. Kristallina kiselsolceller and materialteknologi3. Amorft och mikrokristallint kisel4. CIS, CdTe och andra (II-VI) ternära tunnfilmsceller5. PV-moduler och komponenter i PV-system6. PV-system i nätanslutna applikationer7. Globala aspekter på PV-solelektricitet8. PV-industrins resultatFoU om kristallina solceller dominerade stort, sedan tunnfilmsceller av främst amorft kisel. Intressant var att återvinning är föremål för FoU; dels återvinning av kiselsolceller när panelen tjänat ut; dels återvinning av Cu, Cd, Se och Te när tunnfilmscellerna tas ur bruk.237 företag fanns representerade i utställningen, varav 20 från Kina. Tyskland dominerade stort. Utställningen teman var följande: 1) Tillverkare av kiselplattor, solceller, PV-moduler, koncentratorer, solföljare (se bild nedan) 2) Tillverkare och återförsäljare av utrustning och material 3) Integrering och distribution av system 4) Mätningar och kontrollteknologi 5) Forskning och laboratorier 6) Service, teknik, konsulting 7) Myndigheter och föreningar 8) Media och förlag 9) Tillverkare av inverterare 10) Övrigt.

Solcellsdrivet FTX-system för miljonprogramshus : Tjärna Ängar, Borlänge

Projektet omfattade undersökning och framtagande av ett solcellssystem med förmåga att försörja ett FTX-system i ett flerbostadshus från miljonprogrammet med el. För att kunna bedöma storlek och utformning av komponenter har information tagits genom: Informationssökning via databaser, kurslitteratur och intervjuer Simuleringar av solceller i datorprogrammet PVSYST Modulering av ventilationskanaler i datorprogrammet MagiCAD Syftet var främst att undersöka om det gick att få fram ett teoretiskt fungerande system med avseende på både solceller och ventilation. Beroende på vad resultatet blev skulle även ekonomin i projektet undersökas. Undersökningen visade att det teoretiskt ska gå att installera solceller för elframställning som klarar av att täcka FTX-systemets elbehov på årsbasis. Solcellerna bedöms även producera tillräckligt med el för viss övrig elkrävande utrustning under stora delar av året. Det visade sig även att det skulle gå att få solcellerna ekonomiskt lönsamma om en kalkyltid på 14 år används. Metoden som använts för dessa resultat är noga beskriven och är med små förändringar tillämpbar för ett stort antal byggnader i det svenska byggnadsbeståndet. En viktig slutsats är att om fastighetsägarna kan se 15 år fram i tiden för en investering i solenergi, skulle det innebära inte bara miljömässiga utan även ekonomiska vinster. Det finns redan idag kunnande, teknik och produkter för att utvinna en stor del av fastigheternas elbehov genom solens energi.