Polymer structures for photovoltaics using colloidal self-assembly, thermal nanoimprinting and electrohydrodynamic annealing

• Main Author: Huuva, Ivan
• Format: Others
• Language: English
• Published: Umeå universitet, Institutionen för fysik 2012
• Subjects: electric field; nanoimprinting; nanoimprint lithography; nil; electrohydrodynamic; ehd; polymer; organic electronics; photovoltaics; solar cells; patterning; self-assembly; colloidal crystal; imprint annealing; embedded annealing
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-57105

The efficiency of an organic photovoltaic cell depends mainly on its morphology where an exciton has to migrate to a p-n junction to create a photocurrent. Therefore the distance from the bulk of the cell to a junction interface should not exceed the diffusion length of the exciton. In this thesis, two novel lithographical methods, to produce specific polymer morphologies, were developed and evaluated. In the first method, called embedded annealing, self-assembled polystyrene colloids were embedded in a polydimethylsiloxane (PDMS) film and annealed under an electric field to produce a bi-polymer structure consisting of polymer columns in a thin film of PDMS. Polymer colloids were successfully assembled into two dimensional hexagonally close packed arrays. However, the annealing process was unsuccessful. The second method, imprint annealing, aimed to increase the aspect ratio (height/width) of thermally imprinted micrometer sized polystyrene features by annealing them in uniform electric fields. The results showed that the aspect ratio of imprinted features can be significantly increased, 21-fold, while maintaining the periodicity of the original imprint. This is in contrast to previous results where smooth polymer films annealed in uniform fields where the periodicity of the resulting structures cannot be independently controlled, and are highly sensitive to the electrode spacing. Feature sizes down to 1 µm and aspect ratios up to 4.5 were achieved using imprint annealing. === Verkningsgraden hos en hos en solcell beror, för givna material, framförallt på dess uppbyggnad. För att bidra till fotoströmmen måste en genererad exciton vandra till en pn-övergång. På grund av detta bör det längsta avståndet till närmaste pn-övergång i solcellen inte vara längre än excitonens diffusionslängd. I detta examensarbete testas två olika litografiska metoder för att åstadkomma en specifik filmgeometri lämpad för organiska solceller. Den första metoden, kallad embedded annealing, går ut på att bädda in spontant ordnade sfäriska polystyrenkolloider i en polydimetylsiloxan (PDMS) -film för att sedan vid förhöjd temperatur applicera ett elektiskt fält över filmen. Förhoppningen var att på detta sätt töja ut kolloiderna till pelare genom PDMS-filmen. I det första steget ordnades kolloiderna sponant i tätpackade hexagonala tvådimensionella gitter på kiselsubstrat. Experimenten lyckades inte med hjälp av elektriska fält töja ut kolloiderna. Den andra metoden, imprint annealing, syftar till att öka höjd/bredd -förhållandet och minska diametern hos präglade polystyrenstrukturer. Dessa ursprungliga topografiska stukturer skapas med hjälp av en tryckpressmetod kallad nanoimprinting. Dessa strukturer värmdes upp, och ett uniformt elekrisk fält applicerades över dem. Mina resultat visar att man med elektriska fält avsevärt kan öka höjd-breddförhållandet hos polymerstrukturer och samtidigt bevara periodiciteten hos de ursprungliga strukturerna. Detta står i kontrast mot tidigare resultat på släta filmer, där periodiciteten inte kan kontrolleras oberonde av andra parametrar. Med imprint annealing ökades höjd-breddförhållandet hos enskilda strukturer upp till 21 gånger. Diametrar ner till 1 µm och höjd/breddförhållanden upp till 4,5 uppnåddes.