Monodisperse Co-oligomer Approach toward Nanostructured Films with Alternating Donor-Acceptor Lamellae

A series of donor-acceptor (D-A) co-oligomers with oligo(fluorene-alt-bithiophene) and perylene diimide as donor and acceptor segments, respectively, have been designed and synthesized. They can self-assembly into alternating D-A lamellar nanostructured films with the periods depending on the molecular length. These films have been successfully used in fabrication of high-performance single-molecular solar cells with power conversion efficiency up to 1.50%.

Novel spiro-fluorenes from tandem radical addition for liquid crystalline monodisperse conjugated oligomers

3'-Nonafluorobutylmethyl-4'-methyl-spiro[cyclopentyl-9,1']fluorenes were successfully synthesized via tandem radical-addition reactions between 9,9-diallylfluorenes and perfluorobutyl iodide in the presence of a radical initiator followed by reduction under mild conditions. Single crystal analysis indicates that two substituents at 3,4-positions of cyclopentane are in a maleinoid form. Accordingly, four oligo(fluorene-co-bithiophene)s with the same molecular length of similar to 10 nm (7 fluorene units and 12 thiophene units) containing one to three novel spiro-fluorene units were synthesized.

Tuning the Energy Level of Organic Sensitizers for High-Performance Dye-Sensitized Solar Cells

Cost-effective organic sensitizers will play a pivotal role in the future large-scale production and application of dye-sensitized solar cells. Here we report two new organic D-pi-A dyes featuring electron-rich 3,4-ethylenedioxythiophene- and 2,2'-bis(3,4-ethylenedioxythiophene)-conjugated linkers, showing a remarkable red-shifting of photocurrent action spectra compared with their thiophene and bithiophene counterparts. On the basis of the 3-f{5'-[N,N-bis(9,9-dimethylfluorene-2-yl)phenyl]-2,2'-bis(3,4-ethylenedioxythiophene)-5-yl}2-cyanoacrylic acid dye, we have set a new efficiency record of 7.6% for solvent-free dye-sensitized solar cells based on metal-free organic sensitizers. Importantly, the cell exhibits an excellent stability, keeping over 92% of its initial efficiency after 1000 h accelerated tests under full sunlight soaking at 60 degrees C. This achievement will considerably encourage further design and exploration of metal-free organic dyes for higher performance dye-sensitized solar cells.

n-channel, ambipolar, and p-channel organic heterojunction transistors fabricated with various film morphologies

The relationship between the performance characteristics of organic field-effect transistors (OFETs) with 2,5-bis(4-biphenylyl)-bithiophene/copper hexadecafluorophthalocyanine (BP2T/F16CuPc) heterojunctions and the thickness of the BP2T bottom layer is investigated. Three operating modes (n-channel, ambipolar, and p-channel) are obtained by varying the thickness of the organic semiconductor layer. The changes in operating mode are attributable to the morphology of the film and the hetero-junction effect, which also leads to an evolution of the field-effect mobility with increasing film thickness. In BP2T/F16CuPc heterojunctions the mobile charge carriers accumulate at both sides of the heterojunction interface, with an accumulation layer thickness of ca. 10 nm. High field-effect mobility values can be achieved in continuous and flat films that exhibit the heterojunction effect.

Ambipolar organic field-effect transistors with air stability, high mobility, and balanced transport

Ambipolar organic field-effect transistors (OFETs) based on the organic heterojunction of copper-hexadecafluoro-phthalocyanine (F16CuPc) and 2,5-bis(4-biphenylyl) bithiophene (BP2T) were fabricated. The ambipolar OFETs eliminated the injection barrier for the electrons and holes though symmetrical Au source and drain electrodes were used, and exhibited air stability and balanced ambipolar transport behavior. High field-effect mobilities of 0.04 cm(2)/V s for the holes and 0.036 cm(2)/V s for the electrons were obtained. The capacitance-voltage characteristic of metal-oxide-semiconductor (MOS) diode confirmed that electrons and holes are transported at F16CuPc and BP2T layers, respectively. On this ground, complementary MOS-like inverters comprising two identical ambipolar OFETs were constructed.

Novos compostos orgânicos reticuláveis para aplicações em células fotovoltaicas

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

Développement de nouveaux matériaux conjugués aux propriétés opto-électroniques modulables : de l’électrochromisme à la fluorescence.

La thèse est divisée en deux parties, soit le texte principal et les annexes afin d'alléger la taille des documents.

Asymmetric oxidation of vinyl- and ethynyl terthiophene ligands in triruthenium complexes

A series of ruthenium(II) complexes [{RuCl(CO)(PMe3)3(–CHvCH–)}nX], 1a–1c (1a: n = 3, X = 3,3’’- dimethyl-2,2’:3’,2’’-terthiophene; 1b: n = 2, X = 2,2’-bithiophene; 1c: n = 2, X = 2,3-bis(3-methylthiophen- 2-yl)benzothiophene) and [{Cp*(dppe)2Ru(–CuC–)}3X], 1d (X = 3,3’’-dimethyl-2,2’:3’,2’’- terthiophene), were prepared and characterized by 1H, 13C and 31P NMR. Their redox, spectroscopic and bonding properties were studied with a range of spectro-electrochemical methods in combination with density functional theory calculations. The first two anodic steps observed for 1a and 1d are largely localized on the lateral frameworks of the molecular triangle, the direct conjugation between them being precluded due to the photostable open form of the dithienyl ethene moiety. The third anodic step is then mainly localized on the centerpiece of the triangular structure, affecting both bithiophene laterals. The experimental IR and UV-vis-NIR spectroelectrochemical data and, largely, also DFT calculations account for this explanation, being further supported by direct comparison with the anodic behavior of reference diruthenium complexes 1b and 1c.

Excitonic processes in multifunctional organic semiconductors for application in organic-light emitting transistor

In this thesis, I report on a comprehensive study about the photo-physical properties both in solution and in solid-state of a new thiophene based material (2,2’-(2,2’-bithiophene-5,5’-diyl)bis(5-butyl-5H-thieno[2,3-c]pyrrole-4,6)-dione (T4DIM) which shows an ambipolar semiconducting behavior together with electroluminescence in single-layer OLET device architecture[14

Control over microstructure evolution and device performance in solution processable organic field-effect transistors

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Kontrolle von Selbstorganisation und Mikrostruktur von organischen Halbleitern und deren Einsatz in OFETs. In Kapiteln 3, 4 und 5 eine neue Lösungsmittel-basierte Verabeitungsmethode, genannt als Lösungsmitteldampfdiffusion, ist konzipiert, um die Selbstorganisation von Halbleitermolekülen auf der Oberfläche zu steuern. Diese Methode als wirkungsvolles Werkzeug erlaubt eine genaue Kontrolle über die Mikrostruktur, wie in Kapitel 3 am Beispiel einer D-A Dyad bestehend aus Hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) als Donor und Perylene Diimide (PDI) als Akzeptor beweisen. Die Kombination aus Oberflächenmodifikation und Lösungsmitteldampf kann die Entnetzungseffekte ausgleichen, so dass die gewüschte Mikrostruktur und molekulare Organisation auf der Oberfläche erreicht werden kann. In Kapiteln 4 und 5 wurde diese Methode eingesetzt, um die Selbstorganisation von Dithieno[2, 3-d;2’, 3’-d’] benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene (DTBDT) und Cyclopentadithiophene -benzothiadiazole copolymer (CDT-BTZ) Copolymer zu steuern. Die Ergebnisse könnten weitere Studien stimulieren und werfen Licht aus andere leistungsfaähige konjugierte Polymere. rnIn Kapiteln 6 und 7 Monolagen und deren anschlieβende Mikrostruktur von zwei konjugierten Polymeren, Poly (2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene) PBTTT und Poly{[N,N ′-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis (dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5′- (2,2′-bithiophene)}, P(NDI2OD-T2)) wurden auf steife Oberflächen mittels Tauchbeschichtung aufgebracht. Da sist das erste Mal, dass es gelungen ist, Polymer Monolagen aus der Lösung aufzubringen. Dieser Ansatz kann weiter auf eine breite Reihe von anderen konjugierten Polymeren ausgeweitet werden.rnIn Kapitel 8 wurden PDI-CN2 Filme erfolgreich von Monolagen zu Bi- und Tri-Schichten auf Oberflächen aufgebracht, die unterschiedliche Rauigkeiten besitzen. Für das erste Mal, wurde der Einfluss der Rauigkeit auf Lösungsmittel-verarbeitete dünne Schichten klar beschrieben.rn

Unraveling efficiency-limiting processes in organic solar cells by ultrafast spectroscopy - impact of chemical structure and morphology on photophysics and efficiency

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.

Développement de la polymérisation par (hétéro)arylation directe pour l’électronique organique

L’électronique organique suscite un intérêt grandissant en recherche grâce aux nouvelles possibilités qu’elle offre pour faciliter l’intégration de dispositifs électroniques dans nos vies. Grâce à elle, il est possible d’envisager des produits légers, flexibles et peu coûteux à produire. Les classes majeures de dispositifs étudiées sont les cellules photovoltaïques organiques (CPO) et les transistors organiques à effet de champ (TOEC). Dans les dernières années, une attention particulière a été portée sur les méthodes de polymérisation des matériaux organiques entrant dans la fabrication de ces dispositifs. La polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) catalysée au Pd offre une synthèse sans dérivé organométallique utilisant simplement un lien C-H aromatique, ce qui facilite la purification, diminue le nombre d’étapes et rend possible la production de matériaux à plus faible coût. De plus, la PHAD permet la préparation de matériaux qui était difficile, voire impossible, à obtenir auparavant. Cependant, l’inconvénient majeur de la PHAD reste sa limitation à certaines classes de polymères possédant des monomères ayant des positions bloquées favorisant qu’une seule paire de liaisons C-H. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l’objectif général est d’étudier la polymérisation par PHAD afin d’accéder à des classes de monomères qui n’étaient pas envisageables auparavant et à étendre l’application de cet outil dans le domaine des polymères conjugués. Plus spécifiquement, nous avons étudié l’utilisation de groupements protecteurs et partants sur des unités de benzodithiophènes et de bithiophène-silylés. Suivant ces résultats, nos travaux ont porté sur la polymérisation de dérivés de bithiophènes avec des bromo(aryle)s, une classe de polymères fréquemment utilisée en électronique organique mais qui était jugée impossible à polymériser par PHAD auparavant. Cette étude a montré l’importance de contrôler la PHAD afin d’obtenir le polymère souhaité. Finalement, nous avons étudié l’effet du système catalytique sur le taux de β−ramifications lors de la synthèse de polymères à base de thiophènes. Dans cette dernière étude, nous avons démontré l’importance d’utiliser des outils de caractérisation adéquats afin de confirmer la qualité des polymères obtenus.