Development of photosensitive nanostructured hybrid devices

Abstract

I would like to express my sincere gratitude to my PhD supervisor Prof. Spiros H. Anastasiadis, for his continuous support, guidance, and collaboration during my PhD dissertation. Moreover, I would like to thank Prof. Emmanuel Koudoumas, for writing the proposal for my fellowship of Heraclitus II and Prof. Pantelis N. Trikalitis for the excellent cooperation as a member of my three member advisory committee.I would also like to express my appreciation for the fellow-students and friends that we were working side-by-side at the Lab of Nanomaterials & Organic Electronics (NANO) at TEI of Crete, over the past three years, for all the support and creating a joyful environment to work in. Special thanks to George Kakavelakis, Dimitris Konios, Anna Orfanoudaki, Eva Vasilaki and Pavlos Tzourbakis. At this point, I would like to make a special mention of two exceptional friends-collaborators. I feel very lucky to have worked with George Spyropoulos and George Viskadouros, for their great friendship, support, help and suggestions during the entire process. I enjoyed the discussions about the research projects and beyond. I’m also really grateful to my family and my friends for their continuous support and encouragement.My deepest gratitude goes to Prof. Emmanuel Kymakis and Dr. Emmanuel Stratakis for their friendship, collaboration and guidance. Their enthusiasm and optimism, as well as their ideas have made my research experience truly enjoyable and were the main reasons that I have returned to Heraklion and joined the Nanomaterials & Organic Electronics (NANO) Group, five years ago.Finally, this thesis is dedicated to the memory of Prof. John A. Mikroyannidis, who died just a few months ago. I have no words to express my gratefulness to the man who had made me fall in love with chemistry. He has been a great mentor academically, professionally and personally, providing me with invaluable advice over the years, as well as freedom and support to pursue my research interests.This research has been cofinanced by the European Union (European Social Fund, ESF) and Greek national funds through the Operational Program “Education and Lifelong Learning” of the National Strategic Reference Framework (NSRF) Research Funding Program: Heracleitus II. Investing in knowledge society through the European Social Fund.

Οι εξαιρετικές μηχανικές, ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες του γραφενίου και των παραγώγων του, σε συνδυασμό με την ανάγκη για εξεύρεση φτηνών υλικών που μπορούν να επεξεργαστούν σε διάλυμα, ιδανικά για ηλεκτρονικές εφαρμογές, έχουν συγκεντρώσει την προσοχή της παγκόσμιας επιστημονικής έρευνας, κατά την τελευταία δεκαετία. Νανοδομημένα υλικά με βάση το γραφένιο φαίνεται ότι μπορούν να αποτελέσουν ελκυστικά εναλλακτικά υλικά σε μια σειρά από νέες ενεργειακές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, των μπαταριών λιθίου, των κυψελών καυσίμου και των υπερπυκνωτών. Στις οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις, τα υλικά με βάση το γραφένιο έχουν εισαχθεί ως διάφανα αγώγιμα ηλεκτρόδια, ρυθμιστικές στιβάδες μεταφοράς οπών ή/και ηλεκτρονίων, αλλά και ως υλικά δότες/δέκτες ηλεκτρονίων, ώστε να βελτιώσουν την αρχιτεκτονική και τη φωτοβολταϊκή απόδοση τους, αντικαθιστώντας τα υπάρχοντα συμβατικά υλικά. Ως εκ τούτου, νέες ιδέες αναπτύχθηκαν γρήγορα στη ‘’Χημεία του Γραφενίου’’, οδηγώντας σε νέα παράγωγα του γραφενίου, με καινοτόμες συνθετικές πορείες και μεθόδους παρασκευής. Τα οργανικά φωτοβολταϊκά με βάση το γραφένιο δείχνουν να έχουν προοπτική εξέλιξης, χάρη στις υποσχόμενες και ελκυστικές ιδιότητές τους, αποδίδοντας εξίσου ή και υψηλότερα με τα κλασικά οργανικά φωτοβολταϊκά, όπως συνοψίζεται σε μια εκθετικά αυξανόμενη βιβλιογραφία.Στην παρούσα διατριβή, συντέθηκαν καινοτόμα υλικά με βάση το γραφένιο, για την ανάπτυξη αποδοτικών φωτοευαίσθητων νανοδομημένων υβριδικών διατάξεων, τύπου διεσπαρμένης ετεροεπαφής. Τα υλικά που συντέθηκαν, με βάση το γραφένιο, εισήχθησαν μέσα στη φωτοενεργή στιβάδα των οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων και αποτέλεσαν τα υλικά δέκτες ηλεκτρονίων, αντικαθιστώντας το πιο συνηθισμένο παράγωγο φουλερενίου, το PC71BM. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν ως βοηθητικά υλικά δότες, για τη σύζευξη των ενεργειακών επιπέδων ροής των ηλεκτρονίων, αποτελώντας τον τρίτο παράγοντα σε ένα τριμερές οργανικό μείγμα, μαζί με σύνθετα πολυμερούς/φουλερενίου. Τέλος, οι δομές των υλικών με βάση το γραφένιο που συντέθηκαν, όπως και η βελτιστοποίηση των οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων που κατασκευάστηκαν, πιστοποιήθηκαν με τη χρήση διαφόρων φασματοσκοπικών και μικροσκοπικών αναλύσεων, παράλληλα με συμπληρωματικές φωτοβολταϊκές μετρήσεις.