Sorgenti di luce organiche

L’illuminazione ha un ruolo centrale nelle attività umane ed oggi sta assumendo un ruolo ancora più importante per il benessere e la salute delle persone in ogni ambito della società.

In questo scenario si inserisce la tecnologia delle sorgenti luminose organiche OLED (Organic Light Emitting Diode), uno dei pilastri dell’illuminazione a stato solido (Solid State Lighting, SSL). Gli OLED rivestono un’importanza commerciale sempre maggiore, grazie a elevata efficienza energetica, assenza di sostanze pericolose e possibilità di realizzare forme e geometrie qualsiasi, anche su substrati economici e flessibili, vasta scelta di colori, produzione a basso costo e basso impatto ambientale (ad es. con tecniche di stampa), facile smaltimento del calore in eccesso, integrabilità con altri dispositivi organici (come transistor e celle fotovoltaiche) per realizzare sistemi complessi con un’unica tecnologia, nessun bisogno di retroilluminazione.

Nel Laboratorio TIMAS di Portici, la ricerca nel campo degli OLED per l’illuminazione ed il benessere riguarda:

• OLED a basso consumo e ad alte prestazioni;
• OLED a basso uso di materie prime critiche, biocompatibili e/o biodegradabili, sostenibili ed a basso impatto ambientale;
• OLED per applicazioni “smart lighting” (illuminazione intelligente, per integrare le attuali sorgenti luminose) , “human centric lighting” (illuminazione di interni per il benessere degli esseri umani) e “smart building” (integrazione in edifici intelligenti a basso impatto energetico);
• OLED per altre applicazioni: agroalimentare (illuminazione ad OLED per modulare il metabolismo secondario dei vegetali e migliorarne le proprietà), illuminazione nel settore automobilistico (interni di automobili).

Celle solari organiche

Il laboratorio di celle fotovoltaiche organiche (OPV, Organic PhotoVoltaics) del Laboratorio TIMAS di Portici, si occupa della realizzazione, caratterizzazione e modelling di dispositivi fotovoltaici che utilizzano materiali organici semiconduttori per il processo di fotogenerazione della corrente.

Le celle fotovoltaiche organiche sono costituite da un elettrodo trasparente conduttivo (ITO su vetro o plastica), un materiale semiconduttore organico (molecole organiche o polimeri, in tal caso si parla anche di celle fotovoltaiche polimeriche) ed un elettrodo metallico. Tra gli elettrodi ed il materiale organico vengono di solito utilizzati degli strati trasportatori di lacune o di elettroni. L’assorbimento della luce avviene ad opera del materiale organico che è responsabile anche del trasporto delle cariche fotogenerate agli elettrodi.

Nel laboratorio vengono messi a punto tutti gli strati necessari per il funzionamento del dispositivo, ottimizzandoli all’interno della struttura, al fine di migliorare l’efficienza di conversione. Come materiali attivi, si utilizzano sia materiali commerciali di ultima generazione, sia materiali di sintesi in collaborazione con i principali istituti di ricerca italiani. Le principali competenze sviluppate sono:

• sintesi e caratterizzazione di strati trasportatori di lacune (PEDOT:PSS, MoOx) e di elettroni (ZnO, PFN, TiOx) utilizzando tecniche di deposizione da soluzione e con trattamenti termici a basse temperature
• messa a punto di strati attivi a base di polimeri; caratterizzazione ottica dei singoli film sottili organici
• modelling ottico dei dispositivi
• realizzazione di celle fotovoltaiche organiche con architetture standard ed inversa;
• caratterizzazione completa dei dispositivi
• messa a punto di metodologie per la caratterizzazione dei dispositivi e definizione di standard di misura
• studio del degrado in condizioni controllate

Tra i principali risultati raggiunti, figurano la realizzazione di celle fotovoltaiche in configurazione diretta (ITO/PEDOT:PSS/blend/Ca/Al) con efficienza superiore al 8% e di celle fotovoltaiche in configurazione inversa (ITO/ZnO/blend/MoOx/Ag) con efficienza superiore al 10%.

Caratterizzazione elettronica e Spettroscopia d’impedenza

Presso i Laboratori TIMAS di Brindisi e di Portici, esiste, inoltre, una vasta gamma di competenze e attrezzature per la caratterizzazione di dispositivi attraversati dalla corrente elettrica e dalla luce.

Ad esempio, riguardo alle celle solari:

• la caratterizzazione IV sotto illuminamento da luce solare simulata permette di determinare parametri fondamentali quali: la corrente di corto circuito I_sc, la tensione di circuito aperto V_oc, la corrente e la tensione di massimo I_max e V_max, il Fill Factor FF, la resistenza serie R_s, la resistenza parallelo R_sh, il flat band potential E_fb
• la IPCE/QE (risposta spettrale), misura la corrente generata in funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente. Grazie alle misure di IPCE è possibile ottimizzarne le prestazioni opto-elettroniche in termini dei fenomeni di generazione/ricombinazione di carica e separazione delle stesse in funzione dell'energia del fotone assorbito.
• l'osservazione dei transienti elettrici, di tensione o corrente, dopo l’illuminazione con un impulso di luce, può dare utili informazioni sulla concentrazione dei portatori di carica, sul loro trasporto e sulle modalità di ricombinazione. Tali misure nel dominio del tempo sono utili tanto per le celle solari del tipo DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) o in generale PEC, quanto per i dispositivi organici, ibridi, nano-strutturati o a film sottile.
• è possibile anche la misura delle funzioni di trasferimento nel dominio delle frequenze. In quest'ultimo caso si registra la risposta dei dispositivi a perturbazioni periodiche a frequenza variabile sia di tipo ottico che di tipo elettrico. È possibile tanto misurare le funzioni di trasferimento dinamico fra foto-tensione o foto-corrente e intensità luminosa (IMPS , IMVS), in cui la intensità luminosa è modulata a varie frequenze; quanto effettuare le molto popolari misure di EIS o di spettroscopia di impedenza con applicazione ai dispositivi a stato solido (range µHz - MHz).

E’ inoltre possibile effettuare misure in corrente alternata senza polarizzazione continua (bias) che permettono di rilevare vari parametri dei dispositivi senza causare il loro invecchiamento o degrado, ad esempio le concentrazione di carica dei portatori e gli stati trappola nei materiali o alle loro interfacce, che riducono le prestazioni dei dispostivi.

Utilizzando queste misure su dispositivi mantenuti in temperatura, si riesce ad indagare il comportamento dei vari strati organici del dispositivo, ricavando informazioni sull’instabilità morfologica (transizione vetrosa) ed il degrado indotti dalla temperatura e, quindi, ottenere un preciso limite di funzionamento per i materiali impiegati nella specifica architettura del dispositivo.