Σύνθεση , μορφολογική μελέτη και χαρακτηρισμός οπτικοηλεκτρονικών ιδιοτήτων ημιαγώγιμων πολυμερών

Abstract

The intense scientific interest that semiconducting polymers attract, has led to a number of significant discoveries during the last 30 years. The added commercial benefits that this class of materials holds, has given an unusual scientific boost for research and development in that field, that, by all indications, has not peaked yet. More specifically, research is directed, towards the gradual substitution of inorganic semiconductors by organic, and finally, by polymeric ones. The, potentially, lower cost of organic semiconductors, the interesting mechanical properties and the advantages that these new materials introduce, are the driving force behind the development of organic and polymeric molecules. In the field of solar cells, that comprises the main axis of interest of this thesis, increased scientific effort has been devoted towards the development of new materials as well as the optimization of existing solar cell devices. The best efficiencies, so far, have been demonstrated by thiophene polymers, combined with soluble fullerene derivatives, as electron acceptors in bulk heterojunction device architectures, where the active layer is a blend of the two components. Regarding the synthetic effort for new materials, the interest is shifted towards polymers with increased light harvesting properties, but there is also a distinct tendency to introduce non-fullerenic electron accepting polymeric materials. On the other hand, the optimization of the devices is focused, primarily, on the morphological control of the bulk heterojunction architecture. In the present study, an effort is made to synthesize polymeric materials, suitable for use in optoelectronic devices, such as PLEDs (polymer light emitting diodes) and, mostly, plastic photovoltaic cells. The choice of the appropriate materials was narrowed down to polyquinolines and polythiophenes that have both been successfully used tin the aforementioned devices. Polyquinolines, owing to their nitrogen-containing heteroatom ring, display excellent electron affinities. This translates to efficient electron mobilities, a very desirable property for PLEDs and plastic photovoltaics. Polyquinolines and their physical and chemical properties, are an excellent supplement to polythiοphenes, which, display excellent hole transport properties and charge mobilities and, depending on the chemical structure, very good light harvesting properties.

Το τεράστιο ερευνητικό ενδιαφέρον που συγκεντρώνουν τα ημιαγώγιμα πολυμερή, έχει οδηγήσει σε σημαντικές ανακαλύψεις πάνω στον συγκριμένο τομέα τα τελευταία 30 χρόνια. Το πρόσθετο εμπορικό ενδιαφέρον που παρουσιάζει ο κλάδος, έχει δώσει μια ασυνήθιστη αναπτυξιακή ώθηση, που φαίνεται ότι δεν έχει κορυφωθεί ακόμα. Πιο συγκεκριμένα, η έρευνα στρέφεται στην αντικατάσταση των ανόργανων ημιαγωγών από οργανικούς και εν συνεχεία από πολυμερικούς ημιαγωγούς. Το χαμηλότερο κόστος, οι ενδιαφέρουσες μηχανικές ιδιότητες και τα πλεονεκτήματα που εισάγουν τα νέα αυτά υλικά, αποτελούν την κινητήριο δύναμη πίσω από την ανάπτυξη οργανικών και πολυμερικών μορίων. Στον τομέα των ηλιακών κελιών που αποτελεί και τον κυριότερο άξονα ενδιαφέροντος της ερευνητικής προσπάθειας, αυξημένο ενδιαφέρον παρουσιάζει ο τομέας της σύνθεσης νέων υλικών και ο τομέας της βελτιστοποίησης των διατάξεων. Τα καλύτερα ενεργειακά αποτελέσματα για τα ηλιακά κελιά έχουν δώσει τα πολυμερή θειοφαινίου σε συνδυασμό με διαλυτά παράγωγα του φουλλερενίου σε διατάξεις διεσπαρμένων ετεροεπαφών, όπου το ενεργό στρώμα αποτελείται από ένα μίγμα των δυο συστατικών. Όσον αφορά την σύνθεση νέων υλικών, σημαντικό ενδιαφέρον συγκεντρώνουν τα υλικά με αυξημένη ικανότητα απορρόφησης του ηλιακού φωτός και τα πολυμερή με καλές κινητικότητες φορτίων. Επίσης, υπάρχει μια τάση για αντικατάσταση των παραγώγων του φουλλερενίου (ως δέκτες ηλεκτρονίου) από πολυμερικά υλικά. Η βελτιστοποίηση των τελικών διατάξεων, επικεντρώνεται στον έλεγχο της μορφολογίας των διατάξεων αρχιτεκτονικής διεσπαρμένων ετεροεπαφών. Στην παρούσα διατριβή γίνεται προσπάθεια για σύνθεση πολυμερικών υλικών τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οπτικοηλεκτρονικές διατάξεις όπως διόδους εκπομπής φωτός και, κυρίως, σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Η επιλογή των κατάλληλων υλικών οδήγησε στις πολυκινολίνες και στα πολυθειοφαίνια, δύο οικογένειες πολυμερών που έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως και με αρκετή επιτυχία στις προαναφερθείσες διατάξεις. Οι μεν πολυκινολίνες λόγω του αζωτούχου ετεροκυκλικού δακτυλίου, παρουσιάζουν πολύ καλές ηλεκτραρνητικές ιδιότητες. Αυτό μεταφράζεται και σε πολύ αποτελεσματική μεταφορά αρνητικών φορτίων, ιδιότητα καίρια για τις πολυμερικές διόδους εκπομπής φωτός και τα πλαστικά φωτοβολταϊκά κελιά. Οι πολυκινολίνες και οι ιδιότητες τους αποτελούν πολύ καλό συμπλήρωμα για τα πολυθειοφαίνια, τα οποία παρουσιάζουν, μεταξύ άλλων, πολύ καλές ιδιότητες μεταφορέα θετικών φορτίων (οπές), εξαιρετικές κινητικότητες φορτίων και, υπό συνθήκες, πολύ υψηλή απορρόφηση του ηλιακού φωτός.