Novos compostos orgânicos reticuláveis para aplicações em células fotovoltaicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química e Biológica

O presente trabalho descreve a síntese, propriedades óticas e electroquímicas de três novos compostos conjugados e reticuláveis, da classe de oligotiofenos. O design molecular visou obter compostos otimizados, em relação a outros previamente estudados, para aplicações em células fotovoltaicas de compostos orgânicos que exibam superior estabilidade de operação. Em particular, foi preparado um composto da família dos oligotiofenos com um sistema conjugado de eletrões π compreendendo quatro anéis tiofeno e uma unidade central benzo[1,2-b;4,5-b´]bitiofeno e dois compostos análogos, em que a unidade central foi substituída por uma unidade de superior afinidade eletrónica (unidades “aceitadoras de eletrões”): 5,6-dinitro-2,1,3-benzotiadiazole e tiofeno-S,S-dióxido (sulfona). A síntese dos novos compostos envolveu reações de acoplamento de Stille entre os compostos intermediários preparados, tendo-se obtido produtos finais com elevada pureza. Demonstrou-se que as modificações químicas dos novos compostos (em relação aos compostos de referência) que consistiram no aumento de uma para duas unidades tiofeno num dos compostos e a substituição da unidade central por unidades de superior afinidade eletrónica, provocaram uma diminuição do hiato ótico dos compostos, possibilitando a absorção de uma gama maior de fotões, em termos do seu comprimento de onda, na região do espetros UV-visível. As condições de reticulação dos compostos na forma de filme foram testadas usandotrês diferentes tipos de iniciadores de reticulação - dois foto-ácidos e o ácido poli(3,4-etileno-dioxitiofeno):poli(estireno sulfónico) - e aquecimento, tendo-se demonstrado que podem ser utilizadas análogas condições de reticulação para os três compostos Foram fabricados protótipos laboratoriais de células fotovoltaicas envolvendo um dos novos compostos preparados como componente doador de eletrões. Foram exploradas duas condições diferentes de preparação da camada ativa orgânica das células, uma vez que foram testadas células com camada orgânica na forma não reticulada e com camada ativa reticulada, implementando um dos métodos de reticulação investigados. As células preparadas apresentaram baixa eficiência, contudo, verificou-se que a reticulação não afectou negativamente os parâmetros de desempenho das mesmas.

Abstract: This work presents the synthesis, optical, and electrochemical properties of three new conjugated molecules, of the oligothiophene class, with crosslinking functionality. The molecular design aimed at obtaining optimized materials in relation to others already investigated and ultimately envisages to explore the new materials in organic photovoltaic cells. In detail, the newly synthesised materials are an oligothiophene-type small molecule consisting of a π-conjugated electronic system based on four thiophene rings and the central unit benzo[1,2-b;4,5-b´]bithiophene and two analogous molecules,where the central unit was replaced by a unit of higher electronic affinity (electron accepting unit); 5,6-dinitro-2,1,3-benzothiadiazole and thiophene-S,S-dioxide (sulphone). The final compounds were obtained through Stille coupling reactions from appropriate intermediates previously synthesised; the products were obtained with high purity. It was demonstrated that the chemical modifications of the new compounds (in relation to the reference compounds), which consisted on the increase from one to two thiophene units in one of the compounds, and the replacement of the central unit by units of higher electron affinity, caused a narrowing of the optical gap on the resulting materials, therefore enabling the absorption of a larger fraction of photons when these materials are used in the active layer of solar cells. The conditions in which the new molecules form crosslinked networks, in solid films, were investigated, utilizing three different catalysts for the crosslinking reaction - two photo-acid generators, and Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS) – and temperature annealing. Insoluble/crosslinked films from the new materials were obtained under analogous conditions, without affecting significantly the optical properties of the materials. Solution-processed bulk-heterojunction (BHJ) PV cells (laboratory prototypes) were fabricated using one of the new compounds as the electron donor. Such cells were compared with similarly prepared ones but implementing one of the studied crosslinking protocols. Although the was cells showed low efficiencies, it was found that the crosslinking protocol did not negatively alter the cells performance.