GIRONDA, RAMONA. "Synthesis and characterization of polythiophenes functionalized with electron poor moieties for application in organic electronics." Doctoral thesis, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2013. http://hdl.handle.net/10281/40893.
Abstract:
Harvesting the unlimited and renewable energy from sunlight to produce electricity is one of the major scientific and technological challenges of the 21st century.
Among the available techniques, photovoltaic solar cells (PVCs) are very attractive because they can convert solar energy directly into electricity in a reasonable and economic appealing efficiency.
The development of PVCs is therefore an attractive alternative to address global environmental issues. However, the current high cost for the devices based on inorganic semiconductors has limited their widespread application.
Organic solar cells offer a compelling option for tomorrow’s PV devices, since they can be easily prepared using low-cost and efficient roll-to-roll manufacturing processes.
During the last decade, Organic Photovoltaic (OPV) research has progressed remarkably both in terms of new materials and device performances. Particular interest have been devoted to bulk heterojunction (BHJ) devices in which the active layer consists of a blend of DONOR (p-type semiconductor) and ACCEPTOR (n-type semiconductor) materials. The active layer can be easily deposed through put techniques, facilitating the formation of large area, light weight, and potentially flexible devices.
Fullerenes C60, C70 and in particular their soluble derivates (PCBM) are at the moment the most popular ACCEPTORS and only marginal research is devoted to the development of viable substitutes. On the other hand, the research has been focused on conjugated polymers, as DONOR material, due to their tunable properties by a structural design and the possibility to produce them at low costs.
Over the past decade, research has focused on regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT) as the standard electron-donating material in polymer BHJ solar cells, with important progresses having been made in understanding the device science and the associated improvements in device efficiency. However, P3HT is not the ideal polymer as it has a relatively large band gap (1.85 eV, and this means that it is not able to harvest the maximum of exploitable solar radiation) and its high-lying highest occupied molecular orbital (HOMO) (-5.1 eV) limits the open circuit voltage (Voc) of P3HT/PC61BM devices to 0.6 V, consequently limiting the efficiency to about 5%. To overcome these limitations, low band gap materials with broad absorption spectra, to enhance sunlight harvest for higher short circuit current (Jsc); appropriately lower HOMO energy levels, to maximize the open circuit voltage (Voc); higher hole mobilities, for higher Jsc; and higher fill factor (FF), have been proven to be an efficient strategy to improve device performance. Typically, a low band gap polymer is designed, via donor-acceptor (D-A) approach, by incorporating both electron-rich and electron-deficient moieties in the same conjugated backbone.
Among a wide variety of donor material, new low band gap polymers based on thiophene, as the donor unit, and iso-DPP (iso-diketopyrrolo-pyrrole) or maleimide, as the acceptor moieties, were designed. These latter electron-withdrawing units combine a low HOMO level and a rigid planar core that permit π-conjugation length and charge transfer into the polymer backbone. The polymers and the molecules obtained by Stille condensations were characterized into the device as DONOR material or third compound to blend with the classical mix P3HT/PCBM.
More into the detail, the Chapter 3 reports on the synthesis of a novel electron-deficient derivative, 1,4-dibutyl-3,6-di(thiophene-2-yl)pyrrolo[3,2-b]pyrrole-2,5-dione (iso-DPP). This new building block was copolymerized with bistannanes of thiophene and bithiophene by Stille polycondensation, affording the corresponding polymers (PDPPT and PDPPTT, respectively). These compounds exhibit small energy band gaps combined with low-lying HOMO energy levels. Energy band gaps of PPDPT and PPDPTT, calculated from absorption spectra, are 1.63 and 1.73 eV, respectively. The HOMO and LUMO energy levels of PDPPT and PDPPTT are
-5.12, -3.50, -5.09 and -3.50 eV respectively, as determined by cyclic voltammetry. The power conversion efficiency of PDPPT:PC60BM-based photovoltaic cells illuminated by AM 1.5G was 1.24%, without optimization of materials, significantly higher than for PDPPTT:PC60BM, 0.33%. The results demonstrate that iso-DPP based polymers are promising materials for bulk heterojunction solar cell applications.
A series of D-A polymers and oligomers based on N-alkyl-maleimide has been synthesized by a simple and efficient route explained in Chapter 4. The obtained low band-gap materials were applied into polymeric photovoltaic cells, to improve their efficiency by tuning their electronic properties. The introduction of small quantities (< 20% w/w) of polymers or oligomers containing N-alkyl-maleimide within active layer of P3HT/ PC61BM blends allowed to dramatically increase the efficiencies of BHJ solar cells (up to 80% of increase). This beneficial effect is attributed to improved charge photogeneration and transport. Poor photovoltaic results were obtained if the maleimide based polymer was employed alone as DONOR material, blended with PC61BM.
In order to obtain good results in terms of device performances, not only a good chemical design of the DONOR polymer must be achieved, but also other parameters at the molecular and supramolecular levels should be carefully controlled. The full potential of any conjugated polymer for solar cells can only be realized with an optimized morphology. For this purpose the synthesis of random and diblock copolymers of poly(3-alkylthiophene)s bearing polar substituents was successfully developed by GRIM polymerization and the details are reported in Chapter 5.
3-Hexyl-thiophene was successfully copolymerised with a new derivative, 3-functionalised-thiophene (propyl 5-(2-(thiophen-3-yl)ethoxy) pentanoate), bearing an ester function. Under optimized conditions, this ester proved to be fully compatible with the Grignard metathesis polymerization. Saponification of the copolymer esters provided the corresponding polyacids. Photovoltaic properties of copolymers were investigated in bulk heterojunction devices with PC61BM as acceptor. Among all the amphiphilic copolymers, P3HT-b-P3AcidHT showed the best performance with a PCE of 4.2%, an open-circuit voltage (Voc) of 0.60 V, a short-circuit current density (Jsc) of 13.0 mAcm-2, and a fill factor (FF) of 0.60.
All conjugated D-A molecule and polymers were characterized by chemical investigation and their optical, electrochemical, morphological and photovoltaic properties were investigated.<br>Convertir l'énergie illimitée et renouvelable du soleil pour produire de l'électricité est l'un des plus grands défis scientifiques et technologiques du 21e siècle. Parmi les techniques disponibles, les cellules solaires photovoltaïques (cellules PV) sont très intéressantes car elles peuvent convertir directement l'énergie solaire en électricité avec un rendement assez élevé. Le développement des cellules PV est donc une alternative intéressante pour aborder les problèmes environnementaux mondiaux. Cependant, le coût élevé pour les dispositifs à base de semi-conducteurs inorganiques a limité leur application à grande échelle.
Les cellules solaires organiques offrent une option convaincante pour les dispositifs photovoltaïques de demain, car ils peuvent être facilement mis en œuvre à faible coût et bénéficier de procédés de fabrication rouleaux à rouleaux (roll-to-roll) ou feuilles à feuilles (sheet-to-sheet).
Au cours de la dernière décennie, la recherche sur le photovoltaïque organique (OPV) a progressé de manière remarquable à la fois en ce qui concerne de nouveaux matériaux et aussi les performances des dispositifs. Un intérêt particulier a été consacré aux composants à hétérojonction en volume (BHJ), dans lesquels la couche active est constituée d'un mélange intime de matériaux : un DONNEUR (semi-conducteur de type p) et un accepteur (semi-conducteur de type n). La couche active peut être facilement déposée par des techniques en voie liquide, et ainsi faciliter la fabrication sur de grandes surfaces, avec un poids léger, et donc sur des substrats potentiellement flexibles.
Les fullerènes C60 ou C70 et en particulier leurs dérivés solubles (PCBM) sont pour le moment les ACCEPTEURS les plus populaires, et seulement une recherche marginale est consacrée à la mise au point de matériaux de remplacement viables. La recherche s'est concentrée sur des polymères conjugués, comme matériau de donneur, en raison de leurs propriétés accordables par conception structurale et une potentielle production à faible coût.
Au cours de la dernière décennie, les études se sont intéressées au poly (3-hexylthiophène) (P3HT) régio-régulier comme principal matériau donneur d'électrons dans les cellules solaires polymères en volume (BHJ). D'importants progrès ayant été réalisés dans la compréhension des dispositifs améliorant ainsi l'efficacité de ceux ci. Toutefois, le P3HT n'est pas le polymère idéal car il possède une bande interdite relativement large (1,85 eV) et sa plus haute orbitale moléculaire occupée (HOMO) (-5,1 eV) restant trop grande, elle limite la tension de circuit ouvert (Voc) des dispositifs P3HT/PC61BM à 0,6 V. Ceci à pour conséquence de limiter l'efficacité des cellules aux alentours de 5%. Pour résoudre ce problème et augmenter la conversion solaire, une stratégie efficace est d'utiliser des matériaux à faible bande interdite avec des spectres d'absorption larges. Il en résulte une augmentation du courant de court-circuit (Jsc). En choisissant de manière appropriée le niveau HOMO, on peut maximiser la tension en circuit ouvert (Voc). Enfin des mobilités de trous supérieures et une meilleure Jsc engendreront un meilleur facteur de forme (FF). Typiquement, un polymère de faible largeur de bande interdite est réalisé par l'intermédiaire d'une approche donneur-accepteur (D-A), en incorporant les deux fractions celle riche en électrons et celle pauvre en électrons sur le même squelette conjugué.
Parmi un large éventail de nouveaux matériaux donneurs à faible bande interdite, des polymères où l'unité du donneur est à base de thiophène ont été fabriqués; ces composés conçus ont comme groupement accepteur : l'iso-DPP (iso-dicétopyrrolopyrrole) ou maléimide. Ces structures électro-attractrices combinent un niveau HOMO bas et un noyau rigide plan qui permet une longueur de conjugaison π et un transfert de charges dans le squelette du polymère. Les polymères et les molécules obtenues par condensation de Stille ont été caractérisés dans des dispositifs comme matériau donneur ou comme additif dans le mélange classique P3HT/PCBM.
Il sera détaillé dans le chapitre 3, la synthèse d'un nouveau dérivé déficient en électrons, le 1,4-dibutyl-3,6-di-(thiophène-2-yl)-pyrrolo-[3,2-b]-pyrrole-2,5-dione (iso-DPP). Cette nouvelle brique moléculaire a été co-polymérisée avec des bistannanes de thiophène et des bithiophènes par polycondensation de Stille, pour obtenir les polymères correspondants (respectivement PDPPT et PDPPTT). Ces composés présentent une faible bande d'énergie interdite combinée à des niveaux d'énergie HOMO bas. Les bandes d'énergie interdites de PPDPT et PPDPTT, calculées à partir des spectres d'absorption, sont respectivement de 1,63 et 1,73 eV. Les niveaux HOMO et LUMO déterminés par voltampérométrie cyclique sont de -5,12 et -3,50 eV pour le PDPPT, et de -5,09 et -3,50 eV pour le PDPPTT. L'efficacité, sous éclairement AM 1.5G, des cellules photovoltaïques à base de PDPPT: PC60BM est de 1,24%, sans optimisation des matériaux, nettement plus élevée que pour celle des dispositifs à base de PDPPTT: PC60BM qui est de 0,33%. Les résultats démontrent que les polymères à base d'iso-DPP sont des matériaux prometteurs pour l'utilisation en cellules solaires à hétérojonction en volume.
Une série de polymères donneur-accepteur et d'oligomères donneur-accepteur conçs sur des structures à base de N-alkyl-maléimide ont été synthétisés par une voie simple et efficace expliquée dans le chapitre 4. Les matériaux à faible gap obtenus ont été utilisés dans des cellules photovoltaïques polymères, afin d'en améliorer leur efficacité en optimisant leurs propriétés électroniques. L'introduction de petites quantités (<20% en rapport en masse) de polymères ou d'oligomères contenant des N-alkyl-maléimide à l'intérieur des couches actives de mélanges P3HT / PC61BM a permis d'augmenter considérablement l'efficacité de ces cellules solaires à hétérojonction en volume (jusqu'à 80% d'augmentation). Cet effet bénéfique est attribué à une amélioration de la photo-génération des charges et du transport dans la couche. Quand le maléimide est utilisé seul comme matériau donneur mélangé au PC61BM, les résultats sont en revanches mauvais.
Afin d'obtenir de bons résultats en performances de dispositifs, il faut non seulement réaliser un bon design chimique du polymère donneur, mais contrôler soigneusement d'autres paramètres au niveau moléculaire et supramoléculaire. Le meilleur potentiel d'un polymère conjugué ne peut être obtenu qu'avec une optimisation maitrisée de la morphologie de celui-ci. A cet effet, la synthèse de copolymères aléatoires et di-bloc à base de poly-(3-alkylthiophène) portant des substituants polaires a été développée avec succès par polymérisation GRIM. Ces détails sont présentés dans le chapitre 5.
La co-polymérisation du 3-hexyl-thiophène avec un nouveau dérivé, 3-thiophène-fonctionnalisé (propyl-5-(2-(thiophén-3-yl)-éthoxy)-pentanoate), porteur d'une fonction ester a été réalisée avec succès. Dans des conditions optimales, cet ester s'est avéré être pleinement compatible avec la polymérisation par métathèse de Grignard. La saponification des copolymères esters a conduit aux polyacides correspondants. Les propriétés photovoltaïques de ces copolymères ont été étudiées dans des dispositifs à hétérojonctions en volume avec PC61BM comme accepteur. Parmi tous les copolymères amphiphiles, le P3HT-b-P3AcidHT a montré les meilleurs résultats avec un rendement de conversion de 4,2%, une tension de circuit ouvert (Voc) de 0,60 V, une densité de courant de court-circuit (Jsc) de 13,0 mAcm-2, et un facteur de forme (FF) de 0,60.
Toutes les molécules conjuguées Donneur-Accepteur et les polymères ont été caractérisés par des méthodes chimiques et leurs propriétés optiques, électrochimiques, ainsi que les propriétés morphologiques et photovoltaïque ont été étudiés.