Towards organic multi-junction RAINBOW solar cells

Abstract

La fotovoltaica orgànica (OPV) és una tecnologia que gràcies a la seva lleugeresa, adaptabilitat òptica, flexibilitat i compatibilitat amb la fabricació industrial roll-to-roll promet ser una de les fonts d’energia verda del futur. No obstant, són necessàries millores per a l'estabilitat i l'eficiència, especialment per als dispositius OPV multiunió basats en geometries en tàndem. En aquesta tesi doctoral, explorem un nou enfocament multiunió anomenat RAINBOW. Aquesta geometria consisteix a apilar subcel·les lateralment en comptes de verticalment per abordar els reptes de processament i eliminar la necessitat d’igualar el corrent. L'objectiu de la investigació ha estat desenvolupar un conjunt d'eines per optimitzar paràmetres per tal d’augmentar la màxima eficiència RAINBOW i validar el concepte. Per caracteritzar i estudiar les cèl·lules solars RAINBOW, hem desenvolupat una instrument de mesura de font de llum a demanda (SOLS) i un model de simulació. A més a més, s’han fabricat dispositius de prova de concepte per demostrar el concepte de la geometria RAINBOW. A més, mitjançant una selecció de materials de banda ampla, es va identificar que la mescla PTQ10:O-IDFBR té un gran potencial per millorar el rendiment de les geometries multiunió i la conversió de llum d’interiors en energia elèctrica. Aquesta troballa subratlla les implicacions pràctiques de la nostra investigació i el seu potencial per contribuir al camp més ampli de les energies renovables.

La energía fotovoltaica orgánica (OPV) es una tecnología de energía verde prometedora debido a su peso ligero, capacidad de ajuste óptico, flexibilidad y compatibilidad con la fabricación industrial roll-to-roll. Sin embargo, son necesarias mejoras para la estabilidad y la eficiencia, en particular para las OPV de unión múltiple basadas en geometrías en tándem. En esta tesis doctoral, exploramos un nuevo enfoque de unión múltiple llamado RAINBOW. Esta geometría implica apilar subceldas lateralmente en lugar de verticalmente para abordar los desafíos de procesamiento y eliminar la necesidad de igualar la corriente. La investigación tuvo como objetivo desarrollar un conjunto de herramientas para optimizar los parámetros para aumentar la máxima eficiencia de la geometría RAINBOW y validar el concepto. Para caracterizar y estudiar estas las células solares, hemos desarrollado una configuración de fuente de luz de espectro a demanda (SOLS) y un modelo de simulación. Se fabricaron dispositivos de prueba de concepto para demostrar la eficacia del concepto RAINBOW. Además, mediante una selección de materiales de banda ancha, se identificó que la combinación PTQ10:O-IDFBR tiene el potencial de mejorar el rendimiento de las uniones múltiples y la conversión a electricidad de la luz en interiores. Este hallazgo subraya las implicaciones prácticas de nuestra investigación y su potencial para contribuir al campo más amplio de las energías renovables.

Organic photovoltaics (OPV) is a promising green energy technology due to its lightweight, optical tunability, flexibility, and compatibility with industrial roll-to-roll fabrication. However, improvements are necessary for stability and efficiency, particularly for multi-junction OPVs based on tandem geometries. In this PhD thesis, we explore a novel multi-junction approach called RAINBOW. This geometry involves stacking sub-cells laterally instead of vertically to address processing challenges and eliminate the need for current matching. The research aimed to develop a toolkit for optimizing parameters to increase the maximum efficiency of RAINBOW and validate the RAINBOW concept. To characterize and study RAINBOW solar cells, we have developed a spectrum on demand light source (SOLS) setup and a simulation model. Proof of concept devices were fabricated to demonstrate the effectiveness of the RAINBOW concept. Additionally, through a screening of wide band-gap materials, the PTQ10:O-IDFBR blend was identified as having the potential to enhance multi-junction performance and indoor light harvesting. This finding underscores the practical implications of our research and its potential to contribute to the broader field of renewable energy.