Title:
Morphological characterization of the active layer
of ternary organic solar cells of
P3ht : pc61bm: ru(n-p)2(o-o)
/ by Samah Khaled Akel ; supervised by Prof. Dr. Mahmoud Omar al-Hussein.
التوصيف المورفولوجي للطبقة النشطة للخلايا الشمسية العضوية المكونة من المزيج الثلاثي
P3HT: PC61BM: Ru(N-P)2(O-O)
التوصيف المورفولوجي للطبقة النشطة للخلايا الشمسية العضوية المكونة من المزيج الثلاثي
P3HT: PC61BM: Ru(N-P)2(O-O)
التوصيف المورفولوجي للطبقة النشطة للخلايا الشمسية العضوية المكونة من المزيج الثلاثي
P3HT: PC61BM: Ru(N-P)2(O-O)
Author:
Akel, Samah Khaled, author.
al-Hussein, Mahmoud Omar, supervisor.
The University of Jordan. School of Science.
Department of Physics.
General Notes:
Thesis (M. Sc. in physics)--The University of Jordan (Amman, Jordan), School of Science
, Department of physics
, 2019.
Includes bibliographical references and index.
The morphology of the active layer of polymer-based solar cells directly affects the mechanism of converting solar energy into electrical power. Thus, tuning the morphology is considered as one pillar of the remarkable progress of efficient photovoltaic (PV) devices. The present work focuses on investigating the nanoscale morphology of a novel ruthenium complex, [Ru(N-P)2(O-O)]: polymer: fullerene derivative ternary blends as active layers for organic solar cells (OSCs). Ternary bulk heterojunction (BHJ) photoactive layers of P3HT: PC61BM: Ru(N-P)2(O-O) were prepared for three weight ratios of the Ru complex. To characterize the resulting morphology of the ternary blend, advanced scattering techniques of highly collimated x-rays generated at synchrotron facilities at grazing incidence were employed. These scattering techniques were complemented with imaging microscopy measurements such as atomic force microscope (AFM) and scanning electron microscope (SEM). Surface and inner film morphological characteristics of the ternary blends at various length scales were revealed.
It was observed that the morphology of the ternary blend films is influenced by varying the loading content of Ru(N-P)2(O-O). The addition of low amounts (≤ 7.5 %) of the Ru-complex has resulted in the formation of small structures that are favorable for the PV applications. In contrast, the incorporation of 20% of Ru-complex has resulted in the formation of large structures between the donor and acceptor materials, as well as, large segregations of Ru domains. These large domains are expected to negatively affect the performance of the organic solar cell (OSC) because they prohibit the transfer of energy in the PV system and hinder the transportation of free charge carriers through the active layer toward the electrodes.
The effect of adding Ru(N-P)2(O-O) on the molecular packing of the blend constituents such as crystallinity and orientation was investigated in detail. The results showed that adding high weight ratios of the Ru complex (≥ 7.5%) has resulted in the formation of small P3HT domains. Moreover, the orientation of the polymer chains was affected by varying the concentration of Ru(N-P)2(O-O), such that more well-oriented crystals with an edge-on orientation of the alkyl side chains relative to the substrate were formed. Ru(N-P)2(O-O) did not only affect the order of the P3HT polymer, but also influenced the amorphous domains of the PC61BM material.
Our results indicate that the inclusion of low Ru content (≤7.5%) in P3HT: PC61BM active layer led to favorable modifications of the active layer morphology that may lead to an improvement in the efficiency of organic solar cells (OSCs) prepared from these active layers. The challenges now are based on controlling other factors that have a valuable contribution towards better morphological developments such as the usage of solvent additives. Therefore, advances towards better morphology for higher cell performance remain possible and can be achieved through various distinct trends in the fabrication of the active layer of the OSCs.
تؤثرمورفولوجيا الطبقة النشطة للخلايا الشمسية العضوية بشكل مباشر على آلية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية, حيث يعتبر ضبط تشكل الطبقة النشطة أحد أعمدة التقدم الملحوظ للأجهزة الكهروضوئية الفعالة. يركز العمل الحالي على دراسة التشكل النانوي للطبقة النشطة الناتج عن دمج أوزان مختلفة لأحد مركبات الروثينيوم ,والذي تم تحضيره مؤخراً, Ru(N-P)2(O-O),إلى النظام الكهروضوئي الثنائي المكون من poly (3- hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT): [6,6]-Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl Ester (PC61BM). لتوصيف التشكل الناتج من المزيج الثلاثي, استخدمت تقنيات متقدمة لتشتت الأشعة السينية والتي تم توليدها باستخدام مسرع الجسيمات (السنكنترون) (GISAXS & GIWAXS), بالاضافة إلى استخدام تقنيات تصوير السطوح ذات الأبعاد النانونية والميكرونية (AFM & SEM) . تم الكشف عن مقاييس الطول المختلفة المتشكلة على سطح الافلام المعدة وكذلك في داخل الطبقة النشطة, وقد لوحظ أن مورفولوجيا المزيج الثلاثي تتأثر بدمج أوزان مختلفة من مركب الروثينيوم. أدت اضافة كمية منخفضة (≤ 7.5% ( من وزن الروثينيوم إلى تحسين مورفولوجيا الطبقة النشطة من خلال تشكيل هياكل صغيرة مواتية للتطبيقات الكهروضوئية. في المقابل, أدى دمج 20% من وزن الروثينيوم إلى تشكل تجمعات أكبر حجما. وكذلك, تشكل عدد كبير من تجمعات الروثينيوم بين مكونات النظام الثنائي. إن تشكل مجالات كبيرة غير مواتية من الروثينيوم تؤثر سلبا على أداء الخلية الشمسية العضوية حيث تعمل على حظر نقل الطاقة في النظام الكهروضوئي وإعاقة نقل الشحنات الحرة عبر الطبقة النشطة نحو الأقطاب.
بالاضافة الى ذلك, تمت دراسة تأثير إضافة أوزان مختلفة من مركب الروثينيوم على الخواص الجزيئية للنظام الثلاثي, كالترتيب الجزيئي لمكونات الطبقة النشطة, وتبلور جزيئات P3HT واتجاه تبلورها. أدى دمج أوزان مختلفة من الروثينيوم إلى زيادة بلورة جزيئات P3HT وتشكيل أطوال إقتران أقصر لمجالاته. أما بالنسبة لاتجاه سلاسله, فقد أدت زيادة محتوى الروثينيوم إلى تشكل بلورات P3HT تتجه سلاسلها الجانبية بشكل معامد للركيزة. لم تؤثر إضافة الروثينيوم على مجالات P3HT فحسب, بل أثرت أيضا على مجالات PC61BM ذات الترتيب العشوائي.
نتيجة لدراسة الخواص الجزيئية والتأثيرات المورفولوجية لدمج تراكيز مختلفة من مركب الروثينيوم, من المتوقع أن تؤدي إضافة المحتوى الأدنى (2.5%) إلى تحسين مورفولوجيا الطبقة النشطة الثلاثية, وبالتالي تعزيز أداء الخلية. تستند التحديات الآن إلى ضبط عوامل اخرى لها مساهمة قيمة نحو تطورات مورفولوجية أفضل مثل استخدام مذيبات إضافية في إعداد الطبقة النشطة. لذلك, فان التقدم في مجال التشكل الأفضل لآداء أعلى للخلية الشمسية العضوية مازال ممكناً ويمكن تحقيقه بطرق وتوجهات عديدة.
The electronic version is available in theses database \\ University of Jordan.
Includes abstracts in Arabic and English.
Subject:
Physics
Solar cells
Scanning electron microscopes
Photovoltaic cells
ATOMIC FORCE MICROSCOPY
Dissertation Note:
Thesis (M. Sc. in physics)--The University of Jordan (Amman, Jordan), School of Science
, Department of physics
, 2019.
Physical Description:
1CD-ROM : PDF.
Publication Date:
2019.
Log in
Help
