Ανάπτυξη υβριδικών υλικών που βασίζονται σε ημιαγώγιμα πολυμερή και νανοδομές άνθρακα

• Main Author: Κακογιάννη, Σοφία
• Other Authors: Καλλίτσης, Ιωάννης
• Format: Thesis
• Language: Greek
• Published: 2019
• Subjects: Οργανικά φωτοβολταϊκά; Πολυθειοφαίνιο; Δότες ηλεκτρονίων; Πολυ(καρβαζόλη-alt-βενζοθειαδιαζόλη); Υβριδικοί συμβατοποιητές; Φουλλερένια; Πενταφθοροφαινύλιο; Πυριδίνη; Μορφολογία ενεργού στρώματος; Organic photovoltaics; Electron donors; Polythiophene; Poly(carbazole-alt-benzothiadiazole); Hybrid compatibilizers; Fullerenes; Perfluorophenyl groups; Pyridine; Active layer morphology; 621.312 44

Οι συνεχώς αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις της κοινωνίας έχουν οδηγήσει στη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μεγάλη προσοχή έχει προσελκύσει η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Πολλές και διαφορετικές φωτοβολταϊκές τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί όπως, ανόργανες διατάξεις πυριτίου (1ης γενιάς) και οργανικές διατάξεις που βασίζονται σε σύνθετα υλικά (2ης και 3ης γενιάς). Σημαντικό μειονέκτημα των πρώτων διατάξεων είναι το μεγάλο κόστος παραγωγής αλλά και η μεγάλη κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για την κατασκευή τους. Σε αντίθεση, οι 2ης και 3ης γενιάς φωτοβολταϊκές διατάξεις παρουσιάζουν ευκαμψία, μικρό βάρος, μικρότερο κόστος παραγωγής και δυνατότητα εφαρμογής σε μεγάλες επιφάνειες, όμως παραμένουν λιγότερο αποδοτικές σε σύγκριση με της 1ης γενιάς. Για τη βελτίωση των αποδόσεων, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται είτε στην ανάπτυξη νέων υλικών τα οποία θα χρησιμοποιηθούν στο ενεργό στρώμα των διατάξεων, είτε στη βελτιστοποίηση της μορφολογίας του ενεργού στρώματος είτε στη βελτίωση της ίδιας της συσκευής. Προς την βελτιστοποίηση του ενεργού στρώματος (υλικά και μορφολογία), στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε η σύνθεση και τροποποίηση ημιαγώγιμων πολυμερικών δοτών ηλεκτρονίων που βασίζονται σε ευρέως μελετημένα ημιαγώγιμα πολυμερή όπως το πολυ(3-εξυλοθειοφαίνιο) και η πολυ(καρβαζόλη-alt-βενζοθειαδιαζόλη). Αυτά τα δυο πολυμερή βρίσκουν ευρεία εφαρμογή ως δότες ηλεκτρονίων σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις και έχουν δώσει πολύ καλές αποδόσεις μετά από βελτιστοποίηση των διατάξεων. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε σύνθεση ολιγομερών πολυ(3-εξυλοθειοφαινίου) μέσω GRIM πολυμερισμού και η τροποποίηση αυτών με πενταφθοροφαινυλομάδες. Η εισαγωγή των ομάδων πραγματοποιήθηκε σε δυο διαφορετικές θέσεις της μακρομοριακής αλυσίδας με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της θέσης τροποποίησης στις ιδιότητες του τελικού υλικού. Ακόμη, πραγματοποιήθηκε σύνθεση ολιγομερών βασισμένων σε μονομερή της καρβαζόλης και βενζοθειαδιαζόλης μέσω σύζευξης αρωματικών πυρήνων Suzuki (Suzuki coupling) και η in situ εισαγωγή πενταφθοροφαίνυλο- ή στυρυλο- ομάδων στο τελικό άκρο των πολυμερών. Οι τροποποιημένοι πολυμερικοί δότες ηλεκτρονίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μακρομονομερή για περαιτέρω αντιδράσεις.Τα πενταφθοροφαίνυλο υποκατεστημένα πολυμερή χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση υβριδικών συμβατοποιητών με νανοδομές άνθρακα. Η μεθοδολογία που έχει αναπτυχθεί βασίζεται στην μετατροπή του φθορίου που βρίσκεται στην πάρα θέση σε αζίδιο και στη συνέχεια μια αντίδραση [3+2] κυκλοπροσθήκης με νανοδομές άνθρακα προς το σχηματισμό των τελικών υβριδικών υλικών. Εκτεταμένες προσπάθειες έγιναν για τον πλήρη καθαρισμό των υλικών και την απομάκρυνση της περίσσειας του αντίστοιχου αζιδίου καθώς και της νανοδομής άνθρακα. Τα στύρυλο υποκατεστημένα πολυμερή χρησιμοποιήθηκαν σε αντιδράσεις συμπολυμερισμού μέσω ελευθέρων ριζών (FRP) με τη βινυλοφαινυλοκινολίνη πυριδίνη προς το σχηματισμό στατιστικών συμπολυμερών. Μετά τον εκτενή καθαρισμό των συμπολυμερικών υλικών, αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συμβατοποιητές/σταθεροποιητές του ενεργού στρώματος των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Τα διάφορα μονομερή, ενδιάμεσα μόρια και τελικά υλικά χαρακτηρίστηκαν με Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) και Φασματοσκοπία Ολικής Διαπερατότητας Υπερύθρου (ATR-IR) ως προς τα δομικά τους χαρακτηριστικά, με Φασματοσκοπία Ορατού-Υπερύθρου (UV-Vis) και Φωτοφωταύγειας (PL) ως προς τις οπτικές τους ιδιότητες και τέλος με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διαπερατότητας (TEM) ως προς τη μορφολογία τους.