Υβριδικά νανοϋλικά που βασίζονται σε τροποποιημένους νανοσωλήνες άνθρακα ή/και φουλλερένια με ημιαγώγιμα πολυμερή για εφαρμογή τους σε ενεργειακές τεχνολογίες

Abstract

Organic solar cells constitute attractive energy generating devices due to their specific potential advantages. There is much research interest to improve the efficiency, which can be accomplished either by the development of new more efficiency materials or with the optimal combination of the well known materials. Working in this direction, in order to control the morphology of the well known system polythiophene-fullerene derivatives, donor-acceptor type copolymers and hybrid materials functionalized with carbon nanostructures are used. In this thesis, the synthesis of polymeric and hybrid materials that could be used in photovoltaic devices is attempted. Concerning the polymeric materials, the research effort was focused on the side or end group functionalization of regioregular polymers of thiophene with functional groups. Also, the synthesis of new modified structures based on quinoline with different substituent like perfluorophenylbenzene for use as electron acceptors. In the second part of this thesis, a methodology for the synthesis of modified hybrid materials based on carbon nanotubes or/and fullerenes with semiconducting polymers, for use as compatibilizers in the active layer of solar cells. The final polymeric and hybrid materials were characterized accordingly in order to clarify the chemical structure, the molecular characteristics, and the optoelectronic properties.

Οι Οργανικές ηλιακές κυψελίδες αποτελούν ελκυστικές διατάξεις παραγωγής ενέργειας λόγω των συγκεκριμένων δυνητικών πλεονεκτημάτων. Έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον υπάρχει για την βελτίωση της απόδοσης τους που μπορεί να γίνει είτε με την ανάπτυξη νέων πιο αποδοτικών υλικών είτε με τον βέλτιστο συνδυασμό γνωστών υλικών. Σε αυτή την κατεύθυνση γίνεται προσπάθεια ελέγχου της μορφολογίας του συστήματος πολυθειοφαινίου, με τα παράγωγα των φουλλερενίων, μέσω χρήσης συμπολυμερικών μονάδων που θα φέρουν μονάδες δότη και δέκτη ηλεκτρονίων και υβριδικών υλικών τροποποιημένων με νανοδομές άνθρακα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε προσπάθεια σύνθεσης πολυμερικών και υβριδικών υλικών τα οποία θα βρίσκουν εφαρμογή σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Όσον αφορά τα πολυμερικά υλικά, η ερευνητική προσπάθεια επικεντρώθηκε στην τροποποίηση στερεοκανονικών πολυμερών του θειοφαινίου με δραστικές ομάδες στο ω-τελικό άκρο και πλευρικά. Επίσης, έγινε σύνθεση νέων τροποποιημένων δομών κινολίνης με διαφορετικούς υποκαταστάτες όπως πενταφθοροβενζόλιο με σκοπό τη χρήση τους ως δέκτες ηλεκτρονίων. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας ερευνητικής εργασίας αναπτύχθηκε μεθοδολογία σύνθεσης υβριδικών υλικών που βασίζονται σε τροποποιημένους νανοσωλήνες άνθρακα ή/και παράγωγα φουλλερενίων με ημιαγώγιμα πολυμερή, για χρήση τους ως συμβατοποιητές στο ενεργό στρώμα των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Η μελέτη των τελικών πολυμερικών και υβριδικών υλικών έγινε τόσο ως προς τη χημική τους δομή και τα μοριακά τους χαρακτηριστικά αλλά και ως προς τις όπτο ηλεκτρονιακές τους ιδιότητες.