Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

Estudo da microestrutura e dinâmica molecular do Poly(3-(2\'-ethylhexyl)thiophene)(P3EHT) via ressonância magnética nuclear

O estudo da microestrutura e dinâmica molecular de polímeros conjugados é de grande importância para o entendimento das propriedades físicas desta classe de materiais. No presente trabalho utilizou-se técnicas de ressonância magnética nuclear em baixo e alto campo para elucidar os processos de dinâmica molecular e cristalização do polímero Poly(3-(2’-ethylhexyl)thiophene) - P3EHT. O P3EHT é um polímero modelo para tal estudo, pois apresenta temperatura de fusão bem inferior a sua temperatura de degradação. Esta característica permite acompanhar os processos de cristalização in situ utilizando RMN. Além disso, sua similaridade ao já popular P3HT o torna um importante candidato a camada ativa em dispositivos eletrônicos orgânicos. O completo assinalamento do espectro de 13C para o P3EHT foi realizado utilizando as técnicas de defasamento dipolar e HETCOR. Os processos de dinâmica molecular, por sua vez, foram sondados utilizando DIPSHIFT. Observou-se um gradiente de mobilidade na cadeia lateral do polímero. Além disso, os baixos valores de parametros de ordem obtidos em comparação a experimentos similares realizados no P3HT na literatura indicam um aparente aumento no volume livre entre cadeias consecutivas na fase cristalina. Isso indica que a presença do grupo etil adicional no P3EHT causa um completo rearranjo das moléculas e dificulta seu empacotamento. Constatou-se ainda pouca variação das curvas de DIPSHIFT para os carbonos da cadeia lateral como função do método de excitação utilizado, o que aponta para um polímero que apresenta cadeia lateral móvel mesmo em sua fase cristalina. Os dados de dinâmica molecular foram corroborados por medidas de T1, T1ρ e TCH. Utilizando filtros dipolares em baixo campo observou-se três temperaturas de transição para o P3EHT: 250 K, 325 K e 350 K. A cristalização desse material é um processo lento. Verificou-se que o mesmo pode se estender por até até 24h a temperatura ambiente. Mudanças no espectro de 13C utilizando CPMAS em alto campo indicam um ordenamento dos anéis tiofeno (empacotamento π – π) como o principal processo de cristalização para o P3EHT.

Growing semiconductor nanocrystals directly in a conducting polymer

We describe a single step method to synthesise lead sulphide (PbS) nanocrystals directly in the conjugated polymer poly (2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-p-phenylene vinylene) (MEH-PPV). This method allows size control of the nanocrystal via co-solvent ratios. We find good agreement between nanocrystal sizes determined by transmission electron microscopy and sizes theoretically determined from the absorption edge of the nanocrystals. Finally we show that this synthesis technique is not restricted to MEH-PPV and demonstrate that nanocrystals can be grown in Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT). (C) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Poly(3-hexylthiophene) based block copolymers prepared by "click" chemistry

p-Conjugated block copolymers have been prepared from terminal azide functionalized polystyrenes (PS) and alkyne functionalized poly(3- hexylthiophene)s (P3HT) via a copper(I) catalyzed Huisgen [3 + 2] dipolar cycloaddition reaction. The functionalized a-azido-PS homopolymer was prepared by atom transfer radical polymerization from a specifically designed initiator bearing the azide function, whereas ?-ethynyl-P3HT and a,?-pentynyl-P3HT were synthesized by a modified Grignard metathesis polymerization using alkynyl Grignard derivatives. The electronic environment of the alkynyl end groups was shown to be decisive in determining triazole ring formation.

Synthesis, thermal processing, and thin film morphology of poly(3-hexylthiophene)-poly(styrenesulfonate) block copolymers

A series of novel block copolymers, processable from single organic solvents and subsequently rendered amphiphilic by thermolysis, have been synthesized using Grignard metathesis (GRIM) and reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerizations and azide-alkyne click chemistry. This chemistry is simple and allows the fabrication of well-defined block copolymers with controllable block lengths. The block copolymers, designed for use as interfacial adhesive layers in organic photovoltaics to enhance contact between the photoactive and hole transport layers, comprise printable poly(3-hexylthiophene)-block-poly(neopentyl p-styrenesulfonate), P3HT-b-PNSS. Subsequently, they are converted to P3HT-b-poly(p-styrenesulfonate), P3HT-b-PSS, following deposition and thermal treatment at 150 °C. Grazing incidence small- and wide-angle X-ray scattering (GISAXS/GIWAXS) revealed that thin films of the amphiphilic block copolymers comprise lamellar nanodomains of P3HT crystallites that can be pushed further apart by increasing the PSS block lengths. The approach of using a thermally modifiable block allows deposition of this copolymer from a single organic solvent and subsequent conversion to an amphiphilic layer by nonchemical means, particularly attractive to large scale roll-to-roll industrial printing processes.

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.