Μελέτη μοριακών υλικών για εφαρμογή σε οργανικές φωτοβολταϊκές και φωτονικές διατάξεις

Abstract

Organic Photovoltaics (OPVs), consist of one or more conjugated organic films (polymers or small-molecules), which are sandwiched between two electrodes. In the last decade, dramatic progress has been achieved in organic photovoltaic cells manufacturing, which are currently in product from a number of companies. In organic electronics, however, device performance and lifetime depend critically on the properties of both the active materials and their interfaces. It is an unfortunate fact that the dramatic progress that has been recently achieved in materials design and manufacturing has not been matched by the equal improvement in the interface engineering and no reliable interface-design criteria are available to device manufacturers. One of the key issues for the design of the electrical contacts of organic optoelectronic devices is the understanding of the energy-level alignment at metal contacts/organic semiconductors interfaces. Proper matching of the electrode Fermi level to the energy level of charge-transport states of the organic semiconductors is necessary to obtain efficient and balanced charge injection/extraction in organic electronic devices. This is why in highly efficient devices anode/cathode interfacial layers are necessary to enhance charge exchange between metal contacts and organic molecules. In this thesis, water soluble lacunary polyoxometalates (POMs) and engineered porphyrin molecules have been employed as multifunctional interlayers between the electron extraction/transport layer and the organic photoactive film to simultaneously enhance the efficiency, lifetime and photostability of polymer solar cells and light emitting diodes.

Τα οργανικά φωτοβολταϊκά αποτελούνται από ένα ή περισσότερα οργανικά υμένια (πολυμερικά ή μη), τα οποία εναποτίθενται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Την τελευταία δεκαετία, η τεχνολογία κατασκευής οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων έχει κάνει τεράστια άλματα προόδου, με αποτέλεσμα να είναι εμπορικά διαθέσιμες από αρκετές εταιρίες. Ωστόσο, η απόδοση και η σταθερότητα των οργανικών διατάξεων εξαρτάται τόσο από τις ιδιότητες των ενεργών υλικών όσο και από τις διεπιφάνειές τους με τα ηλεκτρόδια. Παρά τη ραγδαία εξέλιξη στο σχεδιασμό οργανικών υλικών και στη κατασκευή αποδοτικών διατάξεων, δεν έχει επιτευχθεί ακόμη αντίστοιχη βελτίωση στην τροποποίηση των διεπιφανειών ηλεκτροδίου/οργανικού υμενίου, με τα κριτήρια σχεδιασμού και τροποποίησης διεπιφανειών για την κατασκευή των διατάξεων να μην είναι σαφή. Ένα από τα βασικά ζητήματα για το σχεδιασμό των ηλεκτρικών επαφών στις οργανικές οπτοηλεκτρονικές διατάξεις είναι η κατανόηση της ευθυγράμμισης των ενεργειακών επιπέδων στις διεπιφάνειες ηλεκτροδίου/οργανικού ημιαγωγού. Για την επίτευξη αποτελεσματικής και ισορροπημένης έγχυσης και εξαγωγής φορέων φορτίου είναι απαραίτητη η ευθυγράμμιση του επιπέδου Fermi του ηλεκτροδίου με τις καταστάσεις μεταφοράς φορέων φορτίου του οργανικού ημιαγωγού. Γι’ αυτό το λόγο κρίνεται αναγκαία η ενσωμάτωση ενδιάμεσων υμενίων, που τροποποιούν τη διεπιφάνεια ηλεκτροδίου/οργανικού υμενίου και επιτυγχάνουν αποτελεσματικότερη ανταλλαγή φορέων μεταξύ των ηλεκτροδίων και των οργανικών μορίων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετήθηκαν ελλειματικές υδατοδιαλυτές πολυοξομεταλλικές ενώσεις (Lacunary Polyoxometalates, POMs) και μεταλλωμένα μόρια πορφυρίνης, τροποποιημένες με ψευδάργυρο, ως πολυλειτουργικά ενδιάμεσα υμένια, μεταξύ του στρώματος έγχυσης/μεταφοράς ηλεκτρονίων και του οργανικού ενεργού στρώματος, για ταυτόχρονη ενίσχυση της απόδοσης, της διάρκειας ζωής και της φωτοσταθερότητας των φωτοβολταϊκών διατάξεων και των διατάξεων εκπομπής φωτός.