Unravelling the photodegradation mechanisms of a low bandgap polymer by combining experimental and modeling approaches

Large-scale introduction of Organic Solar Cells (OSCs) onto the market is currently limited by their poor stability in light and air, factors present in normal working conditions for these devices. Thus, great efforts have to be undertaken to understand the photodegradation mechanisms of their organic materials in order to find solutions that mitigate these effects. This study reports on the elucidation of the photodegradation mechanisms occurring in a low bandgap polymer, namely, Si-PCPDTBT (poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5′-diyl]). Complementary analytical techniques (AFM, HS-SPME-GC-MS, UV-vis and IR spectroscopy) have been employed to monitor the modification of the chemical structure of the polymer upon photooxidative aging and the subsequent consequences on its architecture and nanomechanical properties. Furthermore, these different characterization techniques have been combined with a theoretical approach based on quantum chemistry to elucidate the evolution of the polymer alkyl side chains and backbone throughout exposure. Si-PCPDTBT is shown to be more stable against photooxidation than the commonly studied p-type polymers P3HT and PCDTBT, while modeling demonstrated the benefits of using silicon as a bridging atom in terms of photostability. (Figure Presented).

Design, synthesis and thermal behaviour of a series of well-defined clickable and triggerable sulfonate polymers

In the printing industry, the exploitation of triggerable materials that can have their surface properties altered on application of a post-deposition external stimulus has been crucial for the production of robust layers and patterns. To this end, herein, a series of clickable poly(R-alkyl p-styrene sulfonate) homopolymers, with systematically varied thermally-labile protecting groups, has been synthesised via reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerisation. The polymer range has been designed to offer varied post-deposition thermal treatment to switch them from hydrophobic to hydrophilic. Suitable RAFT conditions have been identified to produce well-defined homopolymers (Đ, Mw/Mn < 1.11 in all cases) at high monomer conversions (>80% for all but one monomer) with controllable molar mass. Poly(p-styrene sulfonate) with an isobutyl protecting group has been shown to be the most readily thermolysed polymer that remains stable at room temperature, and was thus investigated further by incorporation into a diblock copolymer, P3HT-b-PiBSS, by click chemistry. The strategy for preparation of thermal modifiable block copolymers exploiting R-protected p-styrene sulfonates and azide-alkyne click chemistry presented herein allows the design of new, roll-to-roll processable materials for potential application in the printing industry, particularly organic electronics.

Fullerene-capped copolymers for bulk heterojunctions: device stability and efficiency improvements

A fullerene end-capped polymer-compatibilizer based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) was synthesized and demonstrated to have a remarkable effect on both the stability and efficiency of devices made from exemplar P3HT and [6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM). P3HT with ethynyl chain-ends and α-azido-ω-bromo-PS were prepared via Grignard metathesis (GRIM) and atom transfer radical polymerisation, respectively. “Click” chemistry resulted in the preparation of poly(3-hexylthiophene)-block-ω-bromo-polystyrene (P3HT-b-PS-Br), and subsequent atom transfer radical addition chemistry with fullerene (C60) yielded the donor–acceptor block copolymer P3HT-b-PS-C60. Both P3HT-b-PS-Br and P3HT-b-PS-C60 were considered as compatibilizers with P3HT/PCBM blends, with the study detailing effects on active-layer morphology, device efficiency and stability. When used at low concentrations, both P3HT-b-PS-Br (1%) and P3HT-b-PS-C60 (0.5%) resulted in considerable 28% and 35% increases in efficiencies with respect to devices made from P3HT/PCBM alone. Furthermore, P3HT-b-PS-C60 (0.5%) resulted in an important improvement in device stability.

Identification of the degradation mechanisms of organic solar cells:active layer and interfacial layers

Organic Solar Cells (OSCs) represent a photovoltaic technology with multiple interesting application properties. However, the establishment of this technology into the market is subject to the achievement of operational lifetimes appropriate to their application purposes. Thus, comprehensive understanding of the degradation mechanisms occurring in OSCs is mandatory in both selecting more intrinsically stable components and/or device architectures and implementing strategies that mitigate the encountered stability issues. Inverted devices can suffer from mechanical stress and delamination at the interface between the active layer, e.g. poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (P3HT:PCBM), and the hole transport layer, e.g. poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(p-styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). This work proposes the incorporation of a thin adhesive interlayer, consisting of a diblock copolymer composed of a P3HT block and a thermally-triggerable, alkyl-protected PSS block. In this context, the synthesis of poly(neopentyl p-styrene sulfonate) (PNSS) with controlled molar mass and low dispersity (Ð ≤ 1.50) via Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer (RAFT) polymerisation has been extensively studied. Subsequently, Atomic Force Microscopy (AFM) was explored to characterise the thermal deprotection of P3HT-b-PNSS thin layers to yield amphiphilic P3HT-b-PSS, indicating that surface deprotection prior to thermal treatment could occur. Finally, structural variation of the alkyl protecting group in PSS allowed reducing the thermal treatment duration from 3 hours (P3HT-b-PNSS) to 45 minutes for the poly(isobutyl p-styrene sulfonate) (PiBSS) analogous copolymer. Another critical issue regarding the stability of OSCs is the sunlight-driven chemical degradation of the active layer. In the study herein, the combination of experimental techniques and theoretical calculations has allowed identification of the structural weaknesses of poly[(4,4’- bis(2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b:2’,3’-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5’-diyl], Si-PCPDTBT, upon photochemical treatment in air. Additionally, the study of the relative photodegradation rates in air of a series of polymers with systematically modified backbones and/or alkyl side chains has shown no direct correlation between chemical structure and stability. It is proposed instead that photostability is highly dependent on the crystalline character of the deposited films. Furthermore, it was verified that photostability of blends based on these polymers is dictated by the (de)stabilising effect that [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) has over each polymer. Finally, a multiscale analysis on the degradation of solar cells based on poly[4,4' bis(2- ethylhexyl) dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-[2,5 bis(3 tetradecylthiophen 2-yl)thiazole[5,4-d]thiazole)-1,8-diyl] and PCBM, indicated that by judicious selection of device layers, architectures, and encapsulation materials, operational lifetimes up to 3.3 years with no efficiency losses can be successfully achieved.

RIR-MAPLE deposition of plasmonic silver nanoparticles

© 2016, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.Nanoparticles are being explored in many different applications due to the unique properties offered by quantum effects. To broaden the scope of these applications, the deposition of nanoparticles onto substrates in a simple and controlled way is highly desired. In this study, we use resonant infrared matrix-assisted pulsed laser evaporation (RIR-MAPLE) for the deposition of metallic, silver nanoparticles for plasmonic applications. We find that RIR-MAPLE, a simple and versatile approach, is able to deposit silver nanoparticles as large as 80 nm onto different substrates with good adhesion, regardless of substrate properties. In addition, the nanoparticle surface coverage of the substrates, which result from the random distribution of nanoparticles across the substrate per laser pulse, can be simply and precisely controlled by RIR-MAPLE. Polymer films of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) are also deposited by RIR-MAPLE on top of the deposited silver nanoparticles in order to demonstrate enhanced absorption due to the localized surface plasmon resonance effect. The reported features of RIR-MAPLE nanoparticle deposition indicate that this tool can enable efficient processing of nanoparticle thin films for applications that require specific substrates or configurations that are not easily achieved using solution-based approaches.

Emulsion-Based RIR-MAPLE Deposition of Conjugated Polymers: Primary Solvent Effect and Its Implications on Organic Solar Cell Performance.

Emulsion-based, resonant infrared matrix-assisted pulsed laser evaporation (RIR-MAPLE) has been demonstrated as an alternative technique to deposit conjugated polymer films for photovoltaic applications; yet, a fundamental understanding of how the emulsion target characteristics translate into film properties and solar cell performance is unclear. Such understanding is crucial to enable the rational improvement of organic solar cell (OSC) efficiency and to realize the expected advantages of emulsion-based RIR-MAPLE for OSC fabrication. In this paper, the effect of the primary solvent used in the emulsion target is studied, both experimentally and theoretically, and it is found to determine the conjugated polymer cluster size in the emulsion as well as surface roughness and internal morphology of resulting polymer films. By using a primary solvent with low solubility-in-water and low vapor pressure, the surface roughness of deposited P3HT and PCPDTBT polymer films was reduced to 10 nm, and the efficiency of P3HT:PC61BM OSCs was increased to 3.2% (∼100 times higher compared to the first MAPLE OSC demonstration [ Caricato , A. P. ; Appl. Phys. Lett. 2012 , 100 , 073306 ]). This work unveils the mechanism of polymer film formation using emulsion-based RIR-MAPLE and provides insight and direction to determine the best ways to take advantage of the emulsion target approach to control film properties for different applications.

Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Design of Transparent Conducting Electrodes and Surface Relief Gratings for Plasmonic Polymer Solar Cells

As the concept of renewable energy becomes increasingly important in the modern society, a considerable amount of research has been conducted in the field of organic photovoltaics in recent years. Although organic solar cells generally have had lower efficiencies compared to silicon solar cells, they have the potential to be mass produced via solution processing. A common polymer solar cell architecture relies on the usage of P3HT (electron donor) and PCBM (electron acceptor) bulk heterojunction. One of the main issues with this configuration is that in order to compensate for the high exciton recombination rate, the photoactive layer is often made very thin (on the order of 100 $%). This results in low solar cell photocurrents due to low absorption. This thesis investigates a novel method of light trapping by coupling surface plasmons at the electrode interface via surface relief gratings, leading to EM field enhancements and increased photo absorption. Experimental work was first conducted on developing and optimizing a transparent electrode of the form &'()/+,/&'() to replace the traditional ITO electrode since the azopolymer gratings cannot withstand the high temperature processing of ITO films. It was determined that given the right thickness profiles and deposition conditions, the MAM stack can achieve transmittance and conductivity similar to ITO films. Experimental work was also conducted on the fabrication and characterization of surface relief gratings, as well as verification of the surface plasmon generation. Surface relief gratings were fabricated easily and accurately via laser interference lithography on photosensitive azopolymer films. Laser diffraction studies confirmed the grating pitch, which is dependent on the incident angle and wavelength of the writing beam. AFM experiments were conducted to determine the surface morphology of the gratings, before and after metallic film deposition. It was concluded that metallic film deposition does not significantly alter the grating morphologies.

Design of Transparent Conducting Electrodes and Surface Relief Gratings for Plasmonic Polymer Solar Cells

As the concept of renewable energy becomes increasingly important in the modern society, a considerable amount of research has been conducted in the field of organic photovoltaics in recent years. Although organic solar cells generally have had lower efficiencies compared to silicon solar cells, they have the potential to be mass produced via solution processing. A common polymer solar cell architecture relies on the usage of P3HT (electron donor) and PCBM (electron acceptor) bulk heterojunction. One of the main issues with this configuration is that in order to compensate for the high exciton recombination rate, the photoactive layer is often made very thin (on the order of 100 $%). This results in low solar cell photocurrents due to low absorption. This thesis investigates a novel method of light trapping by coupling surface plasmons at the electrode interface via surface relief gratings, leading to EM field enhancements and increased photo absorption. Experimental work was first conducted on developing and optimizing a transparent electrode of the form &'()/+,/&'() to replace the traditional ITO electrode since the azopolymer gratings cannot withstand the high temperature processing of ITO films. It was determined that given the right thickness profiles and deposition conditions, the MAM stack can achieve transmittance and conductivity similar to ITO films. Experimental work was also conducted on the fabrication and characterization of surface relief gratings, as well as verification of the surface plasmon generation. Surface relief gratings were fabricated easily and accurately via laser interference lithography on photosensitive azopolymer films. Laser diffraction studies confirmed the grating pitch, which is dependent on the incident angle and wavelength of the writing beam. AFM experiments were conducted to determine the surface morphology of the gratings, before and after metallic film deposition. It was concluded that metallic film deposition does not significantly alter the grating morphologies.

Undersökning av dopning i organiska dioder och solceller

Organiska solceller har gjort stora framsteg med avseende på effektivitet och stabilitet under det senaste årtiondet. Oavsiktlig dopning är ett ofta förekommande fenomen i organiska halvledare. Orenheter och defekter i halvledarmaterialet kan ge upphov till dopning. Dessutom kan organiska halvledare dopas över tid då de kommer i kontakt med syre eller fukt. I takt med att andra egenskaper optimeras och effektiviteten stiger blir dopningen en allt viktigare förlustprocess att ta i beaktande i organiska solceller. Målet med detta arbete har varit att bättre förstå dopningens inverkan på organiska dioder och solceller. Tanken var att med hjälp av två olika dopningsmolekyler åstadkomma avsiktlig dopning och på så sätt kontrollerat undersöka och skapa en bättre förståelse av hur dopningen påverkar egenskaperna hos organiska halvledare i dioder och solceller. För att undersöka dopningen har en mätmetod som baserar sig på laddningsextraktion med hjälp av en linjärt ökande spänning, kallad CELIV, använts. Teorin för mätmetoden har utvecklats för att analysera godtyckliga dopningsprofiler och för att ta i beaktande dopningsprofilen vid bestämning av mobiliteten. Metoden har, genom de experiment som utförts, bekräftats fungera väl för undersökning av dopning i organiska tunnfilmsdioder. De två dopningsmolekyler som använts har testats framgångsrikt för dopning av polymererna P3HT och PBTTT. Under arbetets gång kunde en viktig orsak till oavsiktlig dopning identifieras. Som selektivt håltransportlager vid anoden är molybdentrioxid ett av de mest använda materialen. I detta arbete visas att molekyler från ett tunt lager av molybdentrioxid diffunderar in i halvledarlagret och orsakar dopning. Dopningen i P3HT:PCBM till följd av ett molybdentrioxidlager är så hög att även tunna solceller, kring 100 nm, kommer att påverkas negativt på grund av ökad rekombination. Dopningen till följd av diffusion av molybdentrioxid är ett resultat som visar på ett behov att hitta nya alternativa material för håltransport. Ett alternativ kunde vara att använda kraftigt dopade organiska halvledare. För detta ändamål kan den avsiktliga dopning som här testats vara relevant. De experimentella resultat som ingår i denna avhandling bekräftar att CELIV-metoden lämpar sig väl för att mäta dopningskoncentration och dopningsprofiler i organiska dioder samtidigt som man kan erhålla information om laddningstransporten i halvledarlagret.

Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Study of the second hyperpolarizability of poly(3-alkylthiophenes) using the third-harmonic scattering technique

During the past years, the considerable need in the domain of communications for more potent photonic devices has focused the research activities into the nonlinear optical (NLO) materials which can be used for modern optical switches. In this regard, a lot of research activities are focused on the organic materials and conjugated polymers which offer more advantages compared to the inorganic ones. On this matter, poly(3-alkylthiophene) (P3AT), an organic conjugated polymer, can be investigated as potential optical material with in particular the focus on the NLO properties such as the first- and second-hyperpolarizability, β and γ respectively. The activities carried out at the Laboratory of Polymer Synthesis of the KU Leuven, during the master's thesis work, focused on the study of conjugated polymers in order to evaluate their NLO properties for the future purpose of applications in optical systems. In particular, three series of polythiophenes functionalized with an alkyl side chain in the 3-position were synthesized: poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly[3-(2-ethylhexyl)thiophene] (P3EHT) and random copolymer of the two regio-isomers of P3HT. They were made in order to study the influence of molar mass, branching and regio-irregularity on the γ-value. The Kumada catalyst transfer condensative polymerization (KCTCP) and the Pd(RuPhos)-protocol were used for the polymerizations in order to have control over the molar mass of the growing chain and consequently to obtain well-defined and reproducible materials. The P3AT derivatives obtained were characterized by gel permeation chromatography (GPC), spectroscopic techniques (1H-NMR, UV-Vis) and the γ-value was investigated using the third-harmonic scattering (THS) technique. In particular, the THS technique is useful to investigate the optical behavior of the series of polymers in solution.

Investigation of organic semiconductor/water interfaces for optobioelectronic devices

The thesis investigates the potential of photoactive organic semiconductors as a new class of materials for developing bioelectronic devices that can convert light into biological signals. The materials can be either small molecules or polymers. When these materials interact with aqueous biological fluids, they give rise to various electrochemical phenomena, including photofaradaic or photocapacitive processes, depending on whether photogenerated charges participate in redox processes or accumulate at an interface. The thesis starts by studying the behavior of the H2Pc/PTCDI molecular p/n thin-film heterojunction in contact with aqueous electrolyte. An equivalent circuit model is developed, explaining the measurements and predicting behavior in wireless mode. A systematic study on p-type polymeric thin-films is presented, comparing rr-P3HT with two low bandgap conjugated polymers: PBDB-T and PTB7. The results demonstrate that PTB7 has superior photocurrent performance due to more effective electron-transfer onto acceptor states in solution. Furthermore, the thesis addresses the issue of photovoltage generation for wireless photoelectrodes. An analytical model based on photoactivated charge-transfer across the organic-semiconductor/water interface is developed, explaining the large photovoltages observed for polymeric p-type semiconductor electrodes in water. Then, flash-precipitated nanoparticles made of the same three photoactive polymers are investigated, assessing the influence of fabrication parameters on the stability, structure, and energetics of the nanoparticles. Photocathodic current generation and consequent positive charge accumulation is also investigated. Additionally, newly developed porous P3HT thin-films are tested, showing that porosity increases both the photocurrent and the semiconductor/water interfacial capacity. Finally, the thesis demonstrates the biocompatibility of the materials in in-vitro experiments and shows safe levels of photoinduced intracellular ROS production with p-type polymeric thin-films and nanoparticles. The findings highlight the potential of photoactive organic semiconductors in the development of optobioelectronic devices, demonstrating their ability to convert light into biological signals and interface with biological fluids.