Effetti dell’aggiunta di nano-oggetti d’oro sulle proprietà e sulle performance di celle solari organiche.

Organic photovoltaic (OPV) has received enormous interest in recent years as a valid alternative to conventional inorganic counterpart. Organic devices generate electricity from the sun using ultra-thin films of lightweight, strong and flexible photoactive conjugated molecules and polymers. The advantage over current silicon technology is that far lighter and more flexible panels can be integrated easily into different systems and situation at a reduced cost. Research has made rapid progress, leading to a progressive increase in the performance of these devices. The optimization of active layer morphology has played a key role in improving the efficacy of OPV. In this frame, near and far-field effect generated by plasmonic nanostructures has recently attracted considerable interest as an effective route for increasing the performance of photovoltaic devices through the enhancement of local absorption and light scattering. Hybrid devices made of metal nanoparticles disperse in the architecture of organic solar cells are able to confine the light inside the active later and promote photoconversion processes. On the other hand the possibility to stimulate plasmonic excitation lead to the exploitation of Surface Enhanced Raman Scattering (SERS). Indeed peculiar plasmonic properties of metal nano-objects promote an intensification of the Raman Effect near their surface, reaching increments up to 11 orders of magnitude. From an organic photovoltaic perspective, SERS enables local interfacial and conformational information allowing a better understanding of the device's performance. In this thesis work, the use and the potential of metal nano-objects in organic photovoltaic technology have been evaluated. In particular, non-spherical noble metal nanoparticles are synthesized at the InLab laboratory at the Chemical Department of University of Pavia. The activities have been developed on two different fronts across the EniDonegani and UniPV laboratories . The first phase of the experience concerns the study and the characterization through Raman and SERS of well-known organic materials in the field of solar technologies: P3HT, PV2000 and PCBM. The objective was to create a coupling between a layer of nano-objects conveniently anchored on a glass support and a thin layer of photoactive blend, deposited through spin-coating. SERS measurements were designed using different substrates and varying laser radiation conditions. Raman inspection showed only a slight intensification of the signal, probably due to molecular conformation of organic semiconductors. In addition, the SERS-active substrates and the resulting heterostructures were also examined in terms of optical and morphological properties. The second part of the thesis focuses on evaluating the effect of the dispersion of simple spherical shape Au with PEG coating in the architecture of PV2000:PCBM organic solar cells by varying parameters such as their location and concentrations. Specifically, a progressive research has shown an improvement in the performance in devices with nanoparticles in the active layer. After analyzing the electrical properties of the optimized device, further optical and morphological analyses were performed to better understand the mechanism behind the efficiency improvement.

Negli ultimi anni il Fotovoltaico Organico (OPV) ha ricevuto enorme interesse per essere una valida alternativa alla convenzionale controparte inorganica. I dispositivi organici permettono di generare elettricità da film sottili di molecole coniugate e polimeri foto attivi contraddistinti per la loro flessibilità e leggerezza. Queste caratteristiche, rispetto all'attuale tecnologia a base di silicio, favoriscono la realizzazione di pannelli solari facilmente integrabili in sistemi diversi e a costi contenuti. La ricerca ha compiuto ingenti sforzi, portando a un graduale miglioramento delle prestazioni di questi dispositivi. Nello specifico, l'ottimizzazione della morfologia degli strati attivi ha avuto un ruolo fondamentale per lo sviluppo di celle solari organiche sempre più efficienti. In questo contesto, gli effetti di campo vicino e lontano di nanostrutture plasmoniche hanno recentemente suscitato particolare interesse trovando applicazioni in differenti ambiti di ricerca tanto accademici, quanto industriali. In particolare, tali meccanismi consentono di migliorare le performance di dispositivi fotovoltaici, incrementandone lo scattering e l'assorbimento locale della luce. Inoltre, la possibilità di sfruttare l’eccitazione plasmonica ha portato allo sviluppo di specifiche tecniche, come la Spettroscopia Raman Amplificata da Superfici (SERS). Difatti le proprietà plasmoniche di nano-oggetti metallici promuovono un'intensificazione dell'effetto Raman in prossimità della loro superficie, raggiungendo incrementi fino a undici ordini di grandezza. Dal punto di vista del fotovoltaico organico, la spettroscopia SERS consente di ottenere informazioni sulla struttura locale e sulle interfacce, permettendo una migliore comprensione dei meccanismi alla base del funzionamento del dispositivo. In questo lavoro di tesi, è stato valutato l'impiego e le potenzialità di nano-oggetti metallici nello sviluppo di celle solari organiche. In particolare, si è fatto uso di nano-oggetti anisotropi di metalli nobili studiati presso il laboratorio InLab nel Dipartimento di Chimica dell’Università di Pavia. L’attività di ricerca si è sviluppata su due principali fronti, usufruendo dei laboratori dell’università e dell’Istituto Donegani (ENI). La prima fase dell’esperienza ha riguardato lo studio e la caratterizzazione tramite spettroscopia Raman e SERS di materiali organici di comune impiego in ambito delle tecnologie del solare: P3HT, PV2000 e PCBM. L’accoppiamento tra uno strato di nanoparticelle, opportunamente ancorate su un supporto vetroso, e uno strato di blend fotoattivo è avvenuto tramite una deposizione con spin-coating. Le indagini SERS sono state eseguite utilizzando diversi substrati e condizioni d’irraggiamento laser differenti. Tuttavia, i risultati ottenuti hanno evidenziato soltanto una lieve intensificazione del segnale, probabilmente dovuta alla particolare conformazione molecolare dei semiconduttori organici. In aggiunta, i substrati SERS e le eterostrutture realizzate sono stati caratterizzati anche da un punto di vista ottico e morfologico. La seconda parte della tesi riguarda lo studio dell’effetto dell’implementazione di semplici nanoparticelle di oro di forma sferica con coating in PEG all’interno dell’architettura di celle solari organiche di PV2000:PCBM, variandone la concentrazione e la posizione. In particolare, è stato possibile dimostrare un miglioramento delle prestazioni in dispositivi con nanoparticelle nello strato attivo. Dopo aver analizzato le proprietà elettriche di una cella ottimizzata, sono state compiute successive analisi ottiche e morfologiche per comprendere meglio il meccanismo che si cela dietro il miglioramento dell’efficienza.