Síntese de um novo polímero conjugado e reticulável e sua aplicação em células fotovoltaicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

No campo da investigação das células fotovoltaicas orgânicas é necessário desenvolver e optimizar estratégias para incrementar quer a eficiência das mesmas, quer o tempo de vida dos dispositivos e assim aumentar a competitividade em relação às células convencionais de materiais inorgânicos (ex.: silício). Neste âmbito, o adequado design molecular de novos materiais orgânicos para a camada activa das células e o controlo das características morfológicas desta camada representam factores determinantes para alcançar a optimização destes dispositivos. A utiliza ção de polímeros conjugados e reticuláveis como componentes doadores de electrões na camada activa das células demonstrou, em trabalhos anteriores, a possibilidade de obter um controlo da morfologia daquela camada a uma escala submicrométrica. Mais, a capacidade dos polímeros reticuláveis para formar redes poliméricas constituídas por ligações cruzadas deverá permitir maior estabilidade da camada activa onde o polímero se incorpora, face à exposição a variações de temperatura e a tempo prolongado. Neste trabalho foi sintetizado um novo polímero conjugado e reticulável, da família do poli(dioctilfluoreno), com o objectivo de testar a sua potencial aplicação em células fotovoltaicas, como doador de electrões. A fórmula estrutural do novo polímero é do tipo estatístico, com cadeias formadas por três tipos de blocos conjugados, um dos quais envolveu a preparação de um monómero original. A característica reticulável deve-se à presença de grupos oxetanos como grupos terminais de cadeias laterais. As propriedades óp ticas e electroquímicas determinadas para o novo polímero permitiram antever a sua potencial aplicação em células fotovoltaicas com aceitadores de electrões derivados do fulereno C60. Células preparadas com o novo polímero demonstraram baixa eficiência, todavia, foi testado um conjunto muito reduzido de condições que podem afectar o desempenho das células e, por isso, a exploração futura do novo polímero em OPVs é ainda encorajadora.

Abstract: In the research field of organic photovoltaic cells (OPVs) it is necessary to develop and to optimize strategies to enhance both cell efficiencies and device lifetimes in order to compete with conventional inorganic cells (e.g.: silicon-based cells). In this context, the proper molecular design of new organic materials and the control of the morphologic characteristics of the cell´s active (organic) layer are determinant to accomplish the optimization of such devices. The use of conjugated polymers with cross -linking capability as the electron-donor component in OPVs enabled to demonstrate, in previous works, the possibility of gaining control over the morphology of the active layer within the submicron scale. Moreover, the ability of cross-linkable polymers to form a cross-linked polymer network is expected to allow greater stability of the active layer where the polymer is incorporated against the exposure to temperature variations and time. In this work, a new conjugated polymer, derivative of poli(dioctilfluorene), with cross-linking ability was synthesized, aiming at exploring its potential application in OPV devices as the electron donor component. The structural formula of the new polymer is statistical, with conjugated chains formed by three types of blocks, one of which involved preparing a new monomer. The cross-linkable ability is due to the presence of oxetane moieties as end groups of lateral chains. The optical and electrochemical properties determined for the new polymer allowed to predict its potential application in photovoltaic cells with electron acceptors of the fullerene (C60) type. Cells prepared with the new polymer exhibited low e fficiency, however a small number of conditions which may affect the device performance was tested, and therefore the further exploration of the new polymer is still encouraging.