Sintesi e caratterizzazione di nuovi sistemi tiofenici contenenti benzotiadiazolo

Il presente lavoro è stato incentrato sulla sintesi e la caratterizzazione di un trimero elettrondonatore-accettore al fine di valutare se, tramite questo approccio, si potesse aumentare l’efficienza delle celle fotovoltaiche preparate con architettura BHJ. Il trimero ottenuto è stato caratterizzato mediante tecniche spettroscopiche (NMR, FT-IR) e le sue caratteristiche ottiche (tramite spettroscopia UV-Vis). Sono state quindi testate le celle fotovoltaiche utilizzando il prodotto sintetizzato come strato fotoattivo e ne sono state determinate le caratteristiche fotoelettriche (curve J/V).

Sintesi e caratterizzazione di nuovi politiofeni idrosolubili per applicazioni fotovoltaiche

Il presente lavoro è stato incentrato sulla sintesi e la caratterizzazione di un polimero elettroconduttore solubile in acqua al fine di valutare se, tramite questo approccio, si potesse aumentare l’efficienza delle celle fotovoltaiche preparate con architettura BHJ. Il polimero ottenuto è stato caratterizzato mediante tecniche spettroscopiche (NMR, FT-IR) e le sue caratteristiche ottiche (tramite spettroscopia UV-Vis). Sono state quindi testate le celle fotovoltaiche utilizzando il prodotto sintetizzato come strato fotoattivo e ne sono state determinate le caratteristiche fotoelettriche (curve J/V).

Sintesi e caratterizzazione di nuovi materiali politioalchiltiofenici per applicazioni in celle solari bulk-heterojunction

L’oggetto della presente tesi di laurea magistrale consiste nello studio di polimeri coniugati nella catena principale, per una loro applicazione come materiali fotoattivi in celle fotovoltaiche. In particolare, sono stati sintetizzati e caratterizzati politiofeni tioalchil sostituiti, funzionalizzati in posizione 3-3' con catene alchiliche di diversa lunghezza e grado di ramificazione (tra cui una chirale), al fine di studiarne l'effetto sulle proprietà ottiche ed elettriche del materiale. I polimeri ottenuti sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche (1H-NMR, UV-PL), cromatografia a permeazione su gel (GPC), analisi termiche (DSC, TGA) e misure elettrochimiche (voltammetria ciclica). Il comportamento chiro-ottico del campione chirale è stato inoltre valutato tramite misure di dicroismo circolare. Si è infine testata l’efficienza delle celle fotovoltaiche ottenute utilizzando i polimeri sintetizzati come materiale fotoattivo.

Deposizione elettrochimica di film polimerici foto-attivi per la realizzazione di celle solari

Plastic solar cells bear the potential for large-scale power generation based on flexible, lightweight, inexpensive materials. Since the discovery of the photo-induced electron transfer from a conjugated polymer (electron-donor) to fullerene or its derivatives molecules (electron-acceptors), followed by the introduction of the bulk heterojunction concept which means donors and acceptors blended together to realize the fotoactive layer, materials and deposition techniques have been extensively studied. In this work, electrochemical-deposition methods of polymeric conductive films were studied in order to realize bulk heterojunction solar cells. Indium Tin Oxide (ITO) glass electrodes modified with a thin layer of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) were electrochemically prepared under potentiodynamic and potentiostatic conditions; then those techniques were applied for the electrochemical co-deposition of donor and acceptor on modified ITO electrode to produce the active layer (blend). For the deposition of the electron-donor polymer the electropolymerization of many functionalized thiophene monomers was investigated while, as regards acceptors, fullerene was used first, then the study was focused on its derivative PCBM ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester). The polymeric films obtained (PEDOT and blend) were electrochemically and spectrophotometrically characterized and the film thicknesses were evaluated by atomic force microscopy (AFM). Finally, to check the performances and the efficiency of the realized solar cells, tests were carried out under standard conditions. Nowadays bulk heterojunction solar cells are still poorly efficient to be competitively commercialized. A challenge will be to find new materials and better deposition techniques in order to obtain better performances. The research has led to several breakthroughs in efficiency, with a power conversion efficiency approaching 5 %. The efficiency of the solar cells produced in this work is even lower (lower than 1 %). Despite all, solar cells of this type are interesting and may represent a cheaper and easier alternative to traditional silicon-based solar panels.

Polimeri tiofenici funzionali e loro applicazioni nel fotovoltaico

Recentemente, sempre più attenzione è stata rivolta all' utilizzo di coloranti organici come assorbitori di luce per la preparazione di strati fotoattivi in celle solari organiche (OPV). I coloranti organici presentano un'elevata abilità nella cattura della luce solare grazie all'elevato coefficiente di estinzione molare e buone proprietà fotofisiche. Per questi motivi sono eccellenti candidati per l'incremento della conversione fotoelettrica in OPV. In questa tesi viene descritta una nuova strategia per l'incorporazione di derivati porfirinici in catena laterale a copolimeri tiofenici. Gli studi svolti hanno dimostrato che poli(3-bromoesil)tiofene può essere variamente funzionalizzato con idrossitetrafenilporfirina (TPPOH), per l'ottenimento di copolimeri utilizzabili come materiali p-donatori nella realizzazione di OPV. I copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esil tiofene] P[T6Br-co-T6TPP] contenenti differenti quantità di porfirina, sono stati sintetizzati sia con metodi non regiospecifici che regiospecifici, con lo scopo di confrontarene le proprietà e di verificare se la strutture macromolecolare che presenta una regiochimica di sostituzione sempre uguale, promuove o meno il trasporto della carica elettrica, migliorando di conseguenza l'efficienza. E' stato inoltre effettuato un ulteriore confronto tra questi derivati e derivati simili P[T6H-co-T6TPP] che non contengono l'atomo di bromo in catena laterale con lo scopo di verificare se l'assenza del gruppo reattivo, migliora o meno la stabilità termica e chimica dei film polimerici, agendo favorevolmete sulle performance dei dispositivi fotovoltaici. Tutti i copolimeri sono stati caratterizzati con differenti tecniche: spettroscopia NMR, FT-IR e UV-Vis, analisi termiche DSC e TGA, e GPC. Le celle solari Bulk Heterojunction, preparate utilizzando PCBM come materiale elettron-accettore e i copolimeri come materilai elettron-donatori, sono state testate utilizzando un multimetro Keithley e il Solar Simulator.

Polialchiltiofeni contenenti derivati porfirinici per applicazioni in celle solari polimeriche

Il presente lavoro di tesi di laurea magistrale si è proposto di sintetizzare composti polimerici basati su un derivato del 3-esiltiofene e sulla porfirina per preparare materiali da utilizzare nelle celle fotovoltaiche. Politiofeni con queste caratteristiche sono stati sintetizzati a partire da un monomero -bromoalchiltiofenico, il 3-(6-bromoesil)tiofene (T6Br), dal quale è stato ottenuto il corrispondente derivato polimerico poli[3-(6-bromoesil)]tiofene (PT6Br). Esso è stato preparato con un metodo non regiospecifico, utilizzando la comune tecnica di polimerizzazione ossidativa in presenza di FeCl3. Il monomero T6Br è stato funzionalizzato con idrossifenil porfirina (TPPOH) per dare il 3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esiltiofene (T6TPP). Poiché la polimerizzazione diretta di questo monomero non si è mostrata una via percorribile, a causa dell’elevato ingombro del sostituente presente sulla catena macromolecolare, è stata effettuata l’eterificazione sul polimero bromurato PT6Br per ottenere il poli[3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esiltiofene] (PT6TPP). Contemporaneamente è stato sintetizzato il copolimero poli[(3-(6-bromoesil)]tiofene)-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esiltiofene)] (P(T6Br-co-T6TPP)) allo scopo di valutare l’effetto del diverso grado di sostituzione della catena polimerica sulle proprietà del polimero. Anch’esso è stato preparato con un metodo non regiospecifico, utilizzando la tecnica di polimerizzazione ossidativa in presenza di FeCl3. I prodotti sintetizzati sono stati caratterizzati mediante le comuni tecniche spettroscopiche (FTIR, NMR, UV-vis) e ne sono state determinate le proprietà termiche. I pesi molecolari medi e le relative distribuzioni sono stati determinati mediante cromatografia a permeazione su gel (GPC). Infine, con P(T6Br-co-T6TPP) e PT6Br sono state effettuate prove preliminari di preparazione e caratterizzazione di dispositivi per valutare la possibilità di un loro utilizzo come materiali per celle fotovoltaiche.

Simulazione numerica di celle solari in silicio ad eterogiunzione ad un sole e in concentrazione

Il lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio e lo sviluppo tramite simulazioni numeriche di due celle in silicio ad eterogiunzione, una con parametri forniti dal CNR (Comitato Nazionale delle Ricerche) ed un’altra di tipo HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer). Lo studio e lo sviluppo delle due celle sono stati effettuati mediante un flusso TCAD il quale permette una maggiore flessibilità e completezza nella descrizione dei modelli fisici ed elettrici.

An Electron-Accepting Chromophore Based on Fluorene and Naphthalenediimide Building Blocks for Solution-Processable Bulk Heterojunction Devices

We have designed, synthesized and utilized a new non-fullerene electron acceptor, 9,9′-(9,9-dioctyl-9H-fluorene-2,7-diyl)bis(2,7-dioctyl-4-(octylamino)benzo[lmn][3,8]phenanthroline-1,3,6,8(2H,7H)-tetraone) (B2), for use in solution-processable bulk-heterojunction devices. B2 is based on a central fluorene moiety, which was capped at both ends with an electron-accepting naphthalenediimide functionality. B2 exhibited excellent solubility (>30 mg mL−1 in chloroform), high thermal and photochemical stability, and appropriate energy levels for use with the classical polymer donor regioregular poly(3-hexylthiophene). A power conversion efficiency of 1.16 % was achieved for primitive bulk-heterojunction devices with a high fill factor of approximately 54 %.

Conjoint use of Dibenzosilole and Indan-1,3-dione Functionalities to Prepare an Efficient Non-Fullerene Acceptor for Solution-Processable Bulk-Heterojunction Solar Cells

A solution-processable, non-fullerene electron acceptor, 2,2′-(((5,5-dioctyl-5 H-dibenzo[b,d]silole-3,7-diyl)bis(thiophene-5,2-diyl))bis(methanylylidene))bis(1 H-indene-1,3(2 H)-dione) (called N5) comprised of dibenzosilole and 1,3-indanedione building blocks was designed, synthesized, and fully characterized. N5 is highly soluble in various organic solvents, has high thermal stability, and has energy levels matching those of archetypal donor poly(3-hexylthiophene). Solution-processable, bulk-heterojunction solar cells afforded promising power conversion efficiency of 2.76 % when N5 was used as a non-fullerene electron acceptor along with the conventional donor polymer poly(3-hexylthiophene). As per our knowledge, the material reported herein is the first example in the literature where synchronous use of such building blocks is demonstrated in the design an efficient, non-fullerene acceptor.

Random copolymers consisting of dithienylcyclopentadienone, thiophene and benzothiadiazole for bulk heterojunction solar cells

Novel random copolymers containing dithienylcyclopentadienone, thiophene and benzothiadiazole were synthesized and photovoltaic properties of these materials were evaluated. Thermal, structural, optical and electrochemical characterization of the synthesized copolymers was carried out. These thermally stable copolymers are solution processable unlike the homopolymer. The absorption spectra indicated that with the incorporation of alkyl chains in the thiophene moiety, the onset of absorption increases and hence band gap decreases (1.47 eV to 1.41 eV). Bulk heterojunction solar cells were fabricated with the blend of copolymer and phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) as the active material and device parameters were extracted. The copolymer consists of alkyl thiophene exhibit higher open circuit voltage than the copolymer consisting of thiophene moiety. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Investigation of phase separation in bulk heterojunction solar cells via supramolecular chemistry

In this work, we have prepared two donor-acceptor-donor (D-A-D) pi-conjugated oligomers to investigate the effect of phase separation on the performance of bulk heterojunction (BHJ) solar cells. These charge transfer low band gap pi-conjugated oligomers (TTB and NMeTTB) were synthesized by Knoevenagel condensation of terthiophenecarbaldehyde and barbiturate appended pyran derivative. The thin film morphology of both the oligomers and along with electron acceptor 6,6]-phenyl-C60-butyric acid methyl ester (PC61BM) was investigated by atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM). The blend of NMeTTB and PC61BM thin film yield highly ordered thin film, whereas there was clear phase separation between TTB and PC61BM in thin film. The BHJ solar cell was fabricated using a blend of NMeTTB and TTB with PC61BM acceptor in 1:1 ratio as active layer, and a power conversion efficiency of 1.8% was obtained. This device characteristic was compared with device having TTB:PC61BM as active layer, and large difference is observed in photocurrents. This poor performance of TTB in BHJ devices was attributed to the difference in the nanoscale morphology of the corresponding derivatives. We rationalize our findings based on the low charge carrier mobility in organic field-effect transistors and miscibility/phase separation parameter of binary components (oligomers and PC61BM) in the active layer of bulk heterojunction solar cells.

Solvent polarity and nanoscale morphology in bulk heterojunction organic solar cells: A case study

Organic bulk heterojunction solar cells were fabricated under identical experimental conditions, except by varying the solvent polarity used for spin coating the active layer components and their performance was evaluated systematically. Results showed that presence of nitrobenzene-chlorobenzene composition governs the morphology of active layer formed, which is due to the tuning of solvent polarity as well as the resulting solubility of the P3HT:PCBM blend. Trace amount of nitrobenzene favoured the formation of better organised P3HT domains, as evident from conductive AFM, tapping mode AFM and surface, and cross-sectional SEM analysis. The higher interfacial surface area thus generated produced cells with high efficiency. But, an increase in the nitrobenzene composition leads to a decrease in cell performance, which is due to the formation of an active layer with larger size polymer domain networks with poor charge separation possibility. (C) 2014 AIP Publishing LLC.

Narrow band gap conjugated polymer for improving the photovoltaic performance of P3HT:PCBM ternary blend bulk heterojunction solar cells

A new D-A structured conjugated polymer (PBDO-T-TDP) based on electron-rich benzo 1,2-b:4,5-b'] difuran (BDO) containing conjugated alkylthiophene side chains with an electron-deficient diketopyrrolopyrrole (DPP) derivative is designed and synthesized. The polymer shows a narrow band gap with broad UV-Visible absorption spectra, which is in contrast to that of the P3HT:PCBM binary blend. Furthermore, its energy levels can meet the energetic requirement of the cascaded energy levels of P3HT and PCBM. Therefore, PBDO-T-TDP is used as a sensitizer in P3HT: PCBM based BHJ solar cells and its effect on their photovoltaic properties was investigated by blending them together at various weight ratios. It is observed that the resulting ternary blend system exhibited a significant improvement in the device performance (similar to 3.10%) as compared with their binary ones (similar to 2.15%). Such an enhancement in the ternary blend system is ascribed to their balanced hole and electron mobility along with uniform distribution of PBDO-T-TDP in the blend system, as revealed by organic field effect transistors and AFM studies.

Effects of buffer layer properties and annealing process on bulk heterojunction morphology and organic solar cell performance

The performance of polymer-fullerene bulk heterojunction (BHJ) solar cells is strongly dependent on the vertical distribution of the donor and acceptor regions within the BHJ layer. In this work, we investigate in detail the effect of the hole transport layer (HTL) physical properties and the thermal annealing on the BHJ morphology and the solar cell performance. For this purpose, we have prepared solar cells with four distinct formulations of poly(3,4- ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) buffer layers. The samples were subjected to thermal annealing, applied either before (pre-annealing) or after (post-annealing) the cathode metal deposition. The effect of the HTL and the annealing process on the BHJ ingredient distribution - namely, poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) - has been studied by spectroscopic ellipsometry and atomic force microscopy. The results revealed P3HT segregation at the top region of the films, which had a detrimental effect on all pre-annealed devices, whereas PCBM was found to accumulate at the bottom interface. This demixing process depends on the PEDOT:PSS surface energy; the more hydrophilic the surface the more profound is the vertical phase separation within the BHJ. At the same time those samples suffer from high recombination losses as evident from the analysis of the J-V measurements obtained in the dark. Our results underline the significant effect of the HTL-active and active-ETL (electron transport layer) interfacial composition that should be taken into account during the optimization of all polymer-fullerene solar cells. © 2012 The Royal Society of Chemistry.