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.

Antigenicity of fullerenes: Antibodies specific for fullerenes and their characteristics

The recent interest in using Buckminsterfullerene (fullerene) derivatives in biological systems raises the possibility of their assay by immunological procedures. This, in turn, leads to the question of the ability of these unprecedented polygonal structures, made up solely of carbon atoms, to induce the production of specific antibodies. Immunization of mice with a C60 fullerene derivative conjugated to bovine thyroglobulin yielded a population of fullerene-specific antibodies of the IgG isotype, showing that the immune repertoire was diverse enough to recognize and process fullerenes as protein conjugates. The population of antibodies included a subpopulation that crossreacted with a C70 fullerene as determined by immune precipitation and ELISA procedures. These assays were made possible by the synthesis of water-soluble fullerene derivatives, including bovine and rabbit serum albumin conjugates and derivatives of trilysine and pentalysine, all of which were characterized as to the extent of substitution and their UV-Vis spectra. Possible interactions of fullerenes with the combining sites of IgG are discussed based on the physical chemistry of fullerenes and previously described protein-fullerene interactions. They remain to be confirmed by the isolation of mAbs for x-ray crystallographic studies.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Morphology and material stability in polymer solar cells

Polymer solar cells are promising in that they are inexpensive to produce, and due to their mechanical flexibility have the potential for use in applications not possible for more traditional types of solar cells. The performance of polymer solar cells depends strongly on the distribution of electron donor and acceptor material in the active layer. Understanding the connection between morphology and performance as well as how to control the morphology, is therefore of great importance. Furthermore, improving the lifetime of polymer solar cells has become at least as important as improving the efficiency.   In this thesis, the relation between morphology and solar cell performance is studied, and the material stability for blend films of the thiophene-quinoxaline copolymer TQ1 and the fullerene derivatives PCBM and PC70BM. Atomic force microscopy (AFM) and scanning transmission X-ray microscopy (STXM) are used to investigate the lateral morphology, secondary ion mass spectrometry (SIMS) to measure the vertical morphology and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy to determine the surface composition. Lateral phase-separated domains are observed whose size is correlated to the solar cell performance, while the observed TQ1 surface enrichment does not affect the performance. Changes to the unoccupied molecular orbitals as a result of illumination in ambient air are observed by NEXAFS spectroscopy for PCBM, but not for TQ1. The NEXAFS spectrum of PCBM in a blend with TQ1 changes more than that of pristine PCBM. Solar cells in which the active layer has been illuminated in air prior to the deposition of the top electrode exhibit greatly reduced electrical performance. The valence band and absorption spectrum of TQ1 is affected by illumination in air, but the effects are not large enough to account for losses in solar cell performance, which are mainly attributed to PCBM degradation at the active layer surface.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Synthesis and identification of Heterocyclic derivatives of fullerene C-60: Unexpected reaction of anionic C-60 with benzonitrile

During the reaction of reduced C-60 with benzyl bromide in benzonitrile, a novel cis-1 C-60 adduct, 1,4-dibenzyl-2,3-cyclic phenylimidate C-60 (1), Was obtained rather than the expected product of 1,4-dibenzyl C-60. The structure of compound 1 was analyzed by X-ray single-crystal diffraction, identifying the presence of a five-membered heterocycle at a [5,6] bond of C-60. One of the heteroatoms is assigned as a nitrogen atom; however, the identity of the other heteroatom cannot be determined unambiguously by crystallography due to similarity between the nitrogen and oxygen atoms.

Structures, Stabilities and Strain in C60 and C70 Derivatives Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures

The stabilities of a number of small adducts as well as larger hydrides of C-60 and C-70 are reported using semiempirical MO methods. The data are shown to be consistent with the nature of bond alternation in the parent fullerenes and strain effects in the cage systems.

Reducing HAuCl4 by the C-60 dianion: C-60-directed self-assembly of gold nanoparticles into novel fullerene bound gold nanoassemblies

The C-60 dianion is used to reduce tetrachloroauric acid (HAuCl4) for the first time; three-dimensional C-60 bound gold (Au-C-60) nanoclusters are obtained from C-60-directed self-assembly of gold nanoparticles due to the strong affinities of Au-C-60 and C-60-C-60. The process was monitored in situ by UV-vis-NIR spectroscopy. The resulting Au-C-60 nanoclusters were characterized using transmission electron microscopy (TEM), selected area electron diffraction (SAED), energy-dispersive spectroscopy (EDS), x-ray powder diffraction (XRD), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and FT-IR and Raman spectroscopies.

Synthesis and Photodynamic Effect of New Highly Photostable Decacationically Armed [60]- and [70]Fullerene Decaiodide Monoadducts To Target Pathogenic Bacteria and Cancer Cells

Novel water-soluble decacationically armed C-60 and C-70 decaiodide monoadducts, C-60- and C-70[>M(C3N6+C3)(2)], were synthesized, characterized, and applied as photosensitizers and potential nano-PDT agents against pathogenic bacteria and cancer cells. A high number of cationic charges per fullerene cage and H-bonding moieties were designed for rapid binding to the anionic residues displayed on the outer parts of bacterial cell walls. In the presence of a high number of electron-donating iodide anions as parts of quaternary ammonium salts in the arm region, we found that C-70[>M(C3N6+C3)(2)] produced more HO center dot than C-60[>M(C3N6+C3)(2)], in addition to O-1(2). This finding offers an explanation of the preferential killing of Gram-positive and Gram-negative bacteria by C-60[>M(C3N6+C3)(2)] and C-70[>M(C3N6+C3)(2)], respectively. The hypothesis is that O-1(2) can diffuse more easily into porous cell walls of Gram-positive bacteria to reach sensitive sites, while the less permeable Gram-negative bacterial cell wall needs the more reactive HO center dot to cause real damage.

Numerical simulation for the 3D seepage flow with fractional derivatives in porous media

In this paper, the numerical simulation of the 3D seepage flow with fractional derivatives in porous media is considered under two special cases: non-continued seepage flow in uniform media (NCSFUM) and continued seepage flow in non-uniform media (CSF-NUM). A fractional alternating direction implicit scheme (FADIS) for the NCSF-UM and a modified Douglas scheme (MDS) for the CSF-NUM are proposed. The stability, consistency and convergence of both FADIS and MDS in a bounded domain are discussed. A method for improving the speed of convergence by Richardson extrapolation for the MDS is also presented. Finally, numerical results are presented to support our theoretical analysis.

Modified alternating direction methods for solving a two-dimensional non-continuous seepage flow with fractional derivatives

In this paper, a two-dimensional non-continuous seepage flow with fractional derivatives (2D-NCSF-FD) in uniform media is considered, which has modified the well known Darcy law. Using the relationship between Riemann-Liouville and Grunwald-Letnikov fractional derivatives, two modified alternating direction methods: a modified alternating direction implicit Euler method and a modified Peaceman-Rachford method, are proposed for solving the 2D-NCSF-FD in uniform media. The stability and consistency, thus convergence of the two methods in a bounded domain are discussed. Finally, numerical results are given.

Numerical methods for fractional partial differential equations with Riesz space fractional derivatives

In this paper, we consider the numerical solution of a fractional partial differential equation with Riesz space fractional derivatives (FPDE-RSFD) on a finite domain. Two types of FPDE-RSFD are considered: the Riesz fractional diffusion equation (RFDE) and the Riesz fractional advection–dispersion equation (RFADE). The RFDE is obtained from the standard diffusion equation by replacing the second-order space derivative with the Riesz fractional derivative of order αset membership, variant(1,2]. The RFADE is obtained from the standard advection–dispersion equation by replacing the first-order and second-order space derivatives with the Riesz fractional derivatives of order βset membership, variant(0,1) and of order αset membership, variant(1,2], respectively. Firstly, analytic solutions of both the RFDE and RFADE are derived. Secondly, three numerical methods are provided to deal with the Riesz space fractional derivatives, namely, the L1/L2-approximation method, the standard/shifted Grünwald method, and the matrix transform method (MTM). Thirdly, the RFDE and RFADE are transformed into a system of ordinary differential equations, which is then solved by the method of lines. Finally, numerical results are given, which demonstrate the effectiveness and convergence of the three numerical methods.

Do derivatives have a role in the risk-shifting behaviour of fund managers?

In this paper we examine the extent to which derivatives are used to affect the risk-shifting behaviour of Australian equity fund managers. We find, after periods of good and poor performance, the risk-shifting behaviour of fund managers is different between derivative users and non-users. Our results support the gaming and active competition hypotheses but there is little support for the cash flow hypothesis. The study also allows for a complex reporting environment by analysing data across three alternate time periods: the calendar year, financial year and quarterly frames. Given that our results are not consistent across time periods for users and non-users of derivatives, some caution in interpretation is required.