Combinând problemele majore legate de încălzirea globală datorită gazelor cu efect de seră ce implică găsirea de noi metode de producere de energie curată, regenerabilă cu cele legate de progresul în domeniul electronicii, direcțiile recente urmăresc dezvoltarea de noi metode și materiale care pot: oferi o sursă alternativă fezabilă pentru energie regenerabilă bazată pe radiația solară, (ii) oferi performanțe ridicate ale dispozitivelor și (iii) susține deformarea mecanică.

Prezentul proiect propune un nou tip de celulă organică hibridă flexibilă, care combină proprietățile materialelor organice cu cele ale siliciului. Structura propusă constă într-o celulă solară elastomerică bazată pe nanopaterni de Si sub formă de trunchi de con incorporați într-un amestec de donor/acceptor de material organic, plasat între doi electrozi metalici transparenți și flexibili.

Obiectivele principale sunt:

(i) realizarea trunchiurilor de con inversate de Si;

(ii) depunerea de material organic peste nanopaternii de Si;

(iii) incorporarea structurii într-o membrane elastomerică;

(iv) depunerea electrozilor metalici și caracterizarea structurilor.

Principalele tehnologii folosite în realizarea obiectivelor sunt: tehnica de nano-imprimare folosind radiația ultravioletă- pentru realizarea paternilor, evaporare laser pulsate asistată de o matrice-pentru depunerea stratului organic; spinare pentru depunerea PEDOT:PSS-ului și tehnica de electrospinare pentru realizarea electrozilor metalici.

Dr. Oana Rașoga
Dr. Anca Stănculescu
Dr. Marcela Socol
Dr. Marius-Andrei Avram
Dr. Carmen Breazu
Dr. Gianina Popescu-Pelin
Dr. Alexandru Evanghelidis
Dr. Loredana Văcăreanu
Drd. Gabriela Petre
Tech. Maria Rădulescu

Etapa I: Realizarea trunchiurilor de nanoconuri din siliciu (4.01.2021-31.01.2021)

A. Rezumatul etapei

În cadrul etapei 04.01.2021 – 31.12.2021 au fost stabilite 6 activități, respectiv: (1) Activitatea 1.1: Realizare de paterni prin UV-NIL și sinteză de materiale organice. În cadrul acestei activități s-au realizat structuri prin utilizarea tehnicii de imprimare litografică. De asemenea, s-a creat o colaborarea frumoasă cu cei de le EVG (Austria) care au contribuit și ei la realizarea de rezultate frumoase. S-au utilizat două timpuri de măști de lucru și s-a decis achiziția altor două. S-au testat și sintetizat oligomerii doriți pentru a fi folosiți în structuri de celulă solară. (2) Activitatea 1.2: Corodare umedă sau uscată a substraturilor paternate pentru a imprima paterni obținuți în siliciu. Această activitate vine în completarea precedentei, constând în transferul paternilor în stratul de siliciu. În acest scop s-au efectuat corodări uscate la temperaturi criogenice precum și corodări umede folosind diferite tipuri de soluții cum ar fi : Piranha, Apă regală, soluție apoasă de HF și soluție de KOH. (3) Activitatea 1.3: Caracterizarea nanopaternilor sub formă de trunchiuri de con - SEM, AFM, FTIR, a materialelor organice sintetizate și o caracterizare a structurilor inițiale obținute. În cadrul acestei activități s-au pus în evidență rezultatele activităților precedente, prin analize SEM, FTIR sau AFM cu scopul de a vedea ce trebuie îmbunătăți/optimiza în cadrul proceselor de fabricare. (4) Activitate 1.4: Optimizarea proceselor de paternare prin corodare umedă; În urma rezultatelor obținute la caracterizarea probelor, s-au îmbunătățit parametrii procesului de nanoimprimare prin stabilirea vitezei de rotație optime de la depunerea rezistului pe substrat, s-a încercat o optimizare a proceselor de corodare umedă testând diferiți timp de acțiune a soluțiilor sau concentrații. (5) Activitate 1.5: Caracterizarea nanopaternilor optimizați prin SEM, AFM, FTIR. În cadrul acestei activități s-au analizat structurile obținute anterior prin intermediul tehnicilor aferente. Suplimentar s-au realizat și structuri clasice pentru aplicații fotovoltaice cu scopul de a testa oligomerii sintetizați precum și alte substanțe, dar și un anumit tip de structuri paternate. (6) Activitatea 1.6: Diseminarea rezultatelor obținute pentru structura clasică precum și realizarea paginii WEB. Această activitate a fost strict legată de prezentarea rezultatelor întregii echipe, urmărind așa cum au cerut și evaluatorii proiectului ca directorul de proiect să își îmbunătățească CV-ul în ceea ce privește prezentările orale la conferințe. Prin urmare, doctoranda din cadrul proiectului a avut un poster prezentat la EMRS Spring, iar directorul de proiect două prezentări orale la EMRS Fall și CAS 2021. Efortul depus la diseminarea rezultatelor a fost unul de echipă și nu numai dovedit și prin lucrările trimise sau acceptate la publicare.

Etapa II: Depunerea materialelor organice deasupra nanopaternilor de siliciu sub formă de trunchiuri de con inversate (1.01.2022-31.12.2022)

A. Rezumatul etapei
În cadrul etapei 01.01.2022 – 31.12.2022 au fost stabilite 5 activități, respectiv: (1) Activitatea 2.1: Optimizarea proceselor de corodare uscată și pasivarea trunchiurilor de nanoconi, precum și tratamentul de suprafață pentru a evita defectele (final Task 1.3 și 1.4). În cadrul acestei activități s-au realizat structuri de celulă solară pe substraturile corodate după rețetele din anul precedent. În urma analizelor a rezultat că rețeta: corodare criogenică + corodare umedă în KOH poate fi utilizată pentru a obține paterni de Si ce pot contribui la îmbunătățirea parametrilor celulelor solare. Pasivarea s-a realizat în principal prin depunerea de polimer conductor peste nano-paterni. (2) Activitatea 2.2 : Depunerea de PEDOT:PSS (task 2.2) și a materialelor organice pe nanopaternii de siliciu prin spincoating (task 2.4); Această activitate vine în completarea precedentei, constând în depunerea prin spin-coating a PEDOT:PSS-ului, precum și a materialelor organice. Pentru depunerea prin spin-coating a PEDOT:PSS-ului s-au ales după încercări prealabile două rețete. Acestea au fost utilizate în funcție de tipul de structură pe care se efectua depunerea. Mai mult, s-au utilizat două tipuri de PEDOT:PSS – HTL100 și PH1000. S-au depus materiale organice prin spincoating, pe substraturi netede. Anul următor se va realiza depunerea lor pe nanopaternii de Si. (3) Activitatea 2.3: Depunerea materialelor organice pe nanopaternii de siliciu prin tehnica MAPLE (task 2.3). În cadrul acestei activități s-au depus diferite substanțe organice sintetizate/comerciale. S-au utilizat diferite tipuri de concentrații pentru ”țintele înghețate” cât și 3 rețete de depunere. (4) Activitatea 2.4: Caracterizarea filmelor organice depuse pe Si nanopaternat din punct de vedere morfologic, topografic, al cristalinității precum și analiza proprietăților optice (task 4.2). În cadrul acestei activități s-au analizat filmele depuse prin tehnica MAPLE prin intermediul tehnicilor aferente – FTIR, SEM, AFM, măsurători de reflexie, UV-VIS și fotomuninescență. Mai mult s-au efectuat și măsurători ale caracteristicilor I-V ale structurilor rezultate în urma depunerilor. (5) Activitatea 2.5 : Diseminarea rezultatelor obținute la etapa II, update pagină WEB. Această activitate a fost strict legată de prezentarea rezultatelor întregii echipe. Astfel, anul acesta au fost 3 prezentări orale la conferințe internaționale : EMRS Spring meeting 2022 – 2 prezentări, META 2022 – 1 prezentare. Docotranda din cadrul proiectului a prezentat cele mai importante rezultate obținute folosind nanopaternii de Si printr-un poster la conferința International Conference on Laser, Plasma and Radiation – Science and Technology. Efortul depus la diseminarea rezultatelor a fost unul de echipă și nu numai dovedit și prin lucrările trimise sau acceptate la publicare.

Etapa III: Înglobarea structurii în elastomer, detașarea substratului (Obiectiv 3) și depunerea electrozilor de spate și față, precum și caracterizarea structurilor obținute (Obiectiv 4) (01.01.2023-31.12.2023) au fost efectuate 5 activități, respectiv:

Activitatea 3.1: Realizarea electrodului de față (front electrod) prin electrospining utilizând un amestec de nanoparticule de Ag și poliuretan, (b) nanofire de Ag și (c) nanoparticule de Ag și oxid de grafenă redus – task 3.1. În cadrul acestei activități s-au efectuat și testat rețete pentru electrospining folosind diferite concentrații pentru poliuretan dar și pentru nanoparticulele adăugate. În urma rezultatelor obținute s-au căutat rețete și soluții în ceea ce privește fabricarea electrodului prin electrospining înlocuind materialele folosite.

Activitatea 3.2: Înglobarea elastomerică a paternilor și detașarea lor (Task 2.5); În cadrul acestei activități s-au încercat diferite rețete pentru înglobarea și detașarea paternilor folosind PDMS-ul. Același material fiind folosit și  pentru a încapsula celulele.

 Activitatea 3.3: Realizarea electrodului din spate (rear electrod) prin depunerea de straturi subțiri de metale și ulterior prin electrospining – Task 3.2; În cadrul acestei activități s-au depus diferite straturi subțiri de metale și s-a încercat realizarea electrozilor prin electrospining similar activității A3.1

 Activitatea 3.4: Incapsularea structurii în elastomeri (task 3.3). În cadrul acestei activități s-a încercat înglobarea întregii structuri în PDMS, folosind ca material de legare un polimer sensibil la radiația UV.

 Activitatea 3.5 : Caracteristicile I-V ale structurii (task 4.3). Această activitate a constat în trasarea caracteristicilor I-V a celulelor organice atât pe suport flexibil cât și rigid utilizând atât electrozi realizați prin depunere folosind tehnica PLD sau de evaporare în vid cât și prin electrospining sau combinate. În funcție de rezultatele obținute la pașii anteriori. De notat că această activitate a mai fost realizată și în anii anteriori ultimului an.

 Activitatea 3.6: Diseminarea rezultatelor obținute la etapa III, update pagină WEB. Această activitate a fost strict legată de prezentarea rezultatelor întregii echipe. Astfel, au fost 2 prezentări la conferințe internaționale : CAS 2023(poster) și ICPAM–15 (poster). Efortul depus la diseminarea rezultatelor a fost unul de echipă și nu numai dovedit și prin lucrările trimise sau acceptate la publicare.

Celulă solară flexibilă

Anul 2021
Conferințe:
(i) ”Organic heterostructures with indium-free transparent conductor electrode for opto-electronic applications” -Poster , autori: G. Petre, A. Stanculescu, M. Girtan, M. Socol, C. Breazu, L. Vacareanu, M. Grigoras, N. Preda, O. Rasoga, F. Stanculescu, prezentat de Gabriela Petre la conferința E-MRS 2021 Spring Meeting;
(ii) ” Effect of Aluminum nanostructured electrode on the properties of bulk heterojunctions based heterostructures for electronics”, prezentare orală, autori: O. Rasoga, C. Breazu, M. Socol, A.-M. Solonaru, L. Vacareanu, G. Petre, N. Preda, A. Stanculescu, F. Stanculescu, G. Socol, M. Girtan, A. Doroshkevich; prezentat de Oana Rașoga la conferința E-MRS 2021 Fall Meeting;
(iii) ” Wafer-level fabrication of nanocones structures by UV-nanoimprint and cryogenic deep reactive ion process”, prezentare orală, autori: Oana Rasoga, Christine Thanner, Olga Semenova, Andrei Marius Avram, Luiza-Izabela Jinga; prezentat de Oana Rașoga la conferința CAS 2021.

Articole:
1. Petre, G., Stanculescu, A., Girtan, M., Socol, M., Breazu, C., Vacareanu, L., Preda, N., Rasoga, O., Stanculescu, F. and Doroshkevich, A.S. (2022), Organic Heterostructures with Indium-Free Transparent Conductor Electrode for Optoelectronic Applications. Phys. Status Solidi A 2100521. https://doi.org/10.1002/pssa.202100521;
2.Stanculescu, A.; Socol, M.; Rasoga, O.; Breazu, C.; Preda, N.; Stanculescu, F.; Socol, G.; Vacareanu, L.; Girtan, M.; Doroshkevich, A.S. Arylenevinylene Oligomer-Based Heterostructures on Flexible AZO Electrodes. Materials 2021, 14, 7688. https://doi.org/10.3390/ma14247688
3.O. Rasoga, C. Thanner, O. Semenova, A. M. Avram and L. -I. Jinga, "Wafer-level fabrication of nanocones structures by UV-nanoimprint and cryogenic deep reactive ion process," 2021 International Semiconductor Conference (CAS), 2021, pp. 39-42, doi: 10.1109/CAS52836.2021.9604179.

Anul 2022
Conferințe:
(i)  ”MAPLE deposited organic thin films based on P3HT and PC70BM on nanopatterned substrate”, - prezentare orală, autori: M. Socol, N. Preda, C. Breazu, G. Petre, A. Stanculescu, A. Stochioiu, G. Socol, S. Iftimie, C. Thanner, O. Rasoga; prezentat de Oana Rașoga la conferința E-MRS 2022 Spring Meeting – on-line;
(ii) ”Flexible bulk heterojunction with non-fullerene acceptor deposited by MAPLE”- prezentare orală,  autori A. Stanculescu, M. Socol, C. Breazu, O. Rasoga, G. Petre, G. Socol, G. Popescu-Pelin, N. Preda, L. Vacareanu, M. Girtan, F. Stanculescu; prezentat de Carmen Breazu la conferința E-MRS 2022 Spring Meeting – on-line;
(iii)  ” MAPLE deposited organic thin films based on synthetized oligomers and PC70BM on silicon nanopatterned substrate” - poster, autori G. Petre, M. Socol, C. Breazu, A. Stanculescu, G. Popescu-Pelin, G. Socol, S. Iftimie, S. Antohe, L. Vacareanu, C. Thanner, O. Rasoga, prezentat de Gabriela Petre la International Conference on Laser, Plasma and Radiation – Science and Technology – București.
(iv) Prezentare orală intitulată” Nanopatterned substrates for application in organic photovoltaic cell structures”, prezentare orală, autori: C. Breazu, O. Rasoga, A. Stanculescu, M. Socol, G. Popescu-Pelin, G. Petre; prezentat de Carmen Breazu la conferința META 2022 - Spania;

Articole :
(i) ”Effect of Aluminum Nanostructured Electrode on the Properties of Bulk Heterojunction Based Heterostructures for Electronics”, Rasoga, O.; Breazu, C.; Socol, M.; Solonaru, A.-M.; Vacareanu, L.; Petre, G.; Preda, N.; Stanculescu, F.; Socol, G.; Girtan, M.; Stanculescu, A. Nanomaterials 2022, 12, 4230. https://doi.org/10.3390/nano12234230 - publicat online
(ii) ”Effects of solvent additive and micro-patterned substrate on the properties of thin films based on P3HT:PC70BM blends deposited by MAPLE”, Marcela Socol, Nicoleta Preda, Carmen Breazu, Gabriela Petre, Anca Stanculescu, Ionel Stavarache, Gianina Popescu-Pelin, Andrei Stochioiu, Gabriel Socol, Sorina Iftimie, Christine Thanner and Oana Rasoga – în evaluare la jurnaul Materials

Capitol de carte:
(i) Pulsed Laser Deposition of Transparent Conductive Oxides on UV-NIL Patterned Substrates for Optoelectronic Applications, Socol, M. , Preda, N. , Breazu, C. , Rasoga, O. , In: Yang, D. , editor. Thin Film Deposition - Fundamentals, Processes, and Applications [Working Title] [Internet]. London: IntechOpen; 2022 [cited 2022 Nov 28]. Available from: https://www.intechopen.com/chapters/82539 doi: 10.5772/intechopen.105798

Anul 2023:

Conferințe:

(i) ” Effects of the Micro-Patterned Substrate on the properties of thin films based on different organic blends deposited by MAPLE for photovoltaic applications”, autori: Rasoga, C. Thanner, C. Breazu, G. Petre, M. Socol, G. Popescu-Pelin, S. Iftimie, A. Stanculescu, prezentat de Carmen Breazu la conferința CAS 2023-România

(ii) Poster intitulat „Investigation of the properties of some binary and ternary layers obtained by MAPLE for optoelectronic applications”, autori: Breazu, A. Stanculescu, O. Rasoga, G. Socol, G. Popescu-Pelin, G. Petre, M. Socol, prezentat de Carmen Breazu la conferința ICPAM-15, 2023-România;

Articole:

(i) ”Organic heterostructures based on thermal evaporated phthalocyanine and porphyrin as mixed (ZnPc:TpyP) or stacked (ZnPc/TpyP) films”, G. Petre, M. Socol, N. Preda, C. Breazu, O. Rasoga, F. Stanculescu, A. Costas, S. Antohe, S. Iftimie, G. Socol, A. Stanculescu, Thin Solid Films (2023), 87, 140140 , https://doi.org/10.1016/j.tsf.2023.140140 -online.

(ii)”Perylene diimide derivative based binary and ternary layers obtained by a laser technique for optoelectronic applications", C. Breazu, A. Stanculescu, O. Rasoga, N. Preda, A. Costas, A. M. Catargiu, G. Socol, G. Popescu-Pelin, A. Stochioiu, S. Iftimie, G. Petre, M. Socol, trimis la Optics and Laser Technology număr manuscris: JOLT-D-23-02301 (în evaluare).

(iii)” MAPLE deposition of reduced graphene oxide for multilayer transparent conductive electrodes” M. Socol, N. Preda, A. Costas, A. Stanculescu, O. Rasoga, I. Stavarache, G. Petre, G. Popescu-Pelin, I. Jinga, C. Breazu și G. Socol, trimisă spre publicare în Nanomaterials

(iv) ”Induced effects of nano-patterned anode on the electrical and photo-electrical properties of PTB7-Th:ICBA (1:1, wt.%) heterojunction”, Tudor Suteu, Vlad-Andrei Antohe, Stefan Antohe, Ionel Stavarache, Maria Cristina Balasin, Gabriel Socol, Marcela Socol, Oana Rasoga, Sorina Iftimie, trimisă spre publicare în APL Materials

Trimitere cerere brevet:

(i)Procedeu de realizare a unor structuri de celule fotovoltaice flexibile si impermeabile pe bază de strat tampon texturat de siliciu amorf dopat p și materiale organice, elaborat de: Marcela Socol, Oana Rașoga, Sorina Iftimie, Claudiu Ciubotaru, Carmen Breazu, Ionel Stavarache, Gabriel Socol, Anca Stănculescu, Gianina Popescu-Pelin, număr înregistrare A 2023 00776.