Filmes finos de polímeros conjugados e nanoestruturas de carbono obtidos em interfaces líquido-líquido : síntese, caracterização e aplicação em dispositivos fotovoltaicos

Abstract

Resumo: Este trabalho consiste na obtenção de filmes finos de materiais híbridos visando a aplicação em dispositivos fotovoltaicos orgânicos. Os filmes híbridos são compostos por polímeros conjugados e nanoestruturas de carbono, obtidos através da polimerização in situ em interfaces líquido-líquido. A partir desta rota, filmes finos destes materiais insolúveis são montados na interface. Dois sistemas foram abordados, os filmes de polianilina com nanotubos de carbono e os filmes de politiofeno com grafeno quimicamente sintetizado. No primeiro sistema, o polímero é sintetizado na presença dos nanotubos, enquanto que no segundo, ambas as fases são produzidas em uma única etapa. Os dois polímeros são de interesse em células solares orgânicas, sendo o primeiro aplicável como eletrodo transparente e o segundo como camada ativa na absorção de luz. O filme de polianilina com nanotubos foi caracterizado em termos de suas propriedades elétricas. Foi observado um efeito sinérgico na estrutura híbrida. Elevadas razões de NTC alteram a propriedade condutora da polianilina, conforme verificado por espectroscopia Raman ressonante. A polianilina, por sua vez, atua como conexão condutora entre os tubos, mediando a condutividade. Com esta estrutura híbrida, filmes foram otimizados em termos de resistência elétrica através do processo de dopagem secundária, que diminui a resistência elétrica das conexões poliméricas, e de transparência através da escolha de nanotubos com menor diâmetro. Baixas resistências (~300 ?/?) combinadas com alta transparência (~90%) foram alcançadas, permitindo construir células solares com base nestes eletrodos, e substituindo, com ganho de eficiência, o eletrodo mais utilizado atualmente (ITO). Filmes híbridos de politiofeno foram obtidos em rota semelhante, porém utilizando FeCl3 anidro como oxidante. Entretanto, neste sistema o solvente orgânico utilizado para compor a interface líquida passa a ter influência sobre o politiofeno formado. Especificamente, solventes aromáticos são envolvidos em um mecanismo proposto de polimerização em duas etapas, dando origem a folhas de grafeno construídas a partir de benzeno. Filmes de politiofeno obtidos nestes solventes apresentam propriedades distintas como característica dupla de doador/aceptor de elétrons, evidenciando o caráter híbrido nestes filmes resultante da formação de dois materiais na mesma síntese. O potencial destes filmes híbridos foi avaliado em células solares orgânicas, onde desempenhos maiores foram obtidos em relação a filmes de politiofeno puros.

Abstract: This work consists in the production of hybrid thin films aiming the application in organic photovoltaic devices. The hybrid films are constituted by conjugated polymers and carbon nanostructures and are obtained from the in situ polymerization in liquid-liquid interfaces. In this route, insoluble materials can be assembled as thin films in the liquid interface. Two systems were studied, the thin films composed by polyaniline with carbon nanotubes and the films composed by polythiophene with chemically synthesized graphene. In the first, the polymer is synthesized in the presence of the nanotubes, while in the second the two phases are produced in one single step. Both polymers are of interest in the field of organic solar cells, the first being applied as a transparent electrode and the second as the active layer in light absorption and conversion. Thin films of polyaniline with carbon nanotubes were characterized in terms of its electrical properties. A mutual effect was observed in the hybrid structure. High carbon nanotubes ratios change the conductive properties of the polyaniline, as observed by resonant Raman spectroscopy. Conversely, polyaniline act as conductive connection between individual tubes, interceding conductivity. The electrical resistance of films with this hybrid structure was optimized with secondary doping process which reduces the electrical resistance of polymeric connections. The transparency of the films was also optimized by substituting the carbon nanotubes sample for another one with smaller mean diameter. Films with lower resistances (~300 ?/?) combined with high transparency (~90%) were achieved, allowing the construction of solar cell based on these films as electrodes, substituting the currently most used electrode (ITO). Thin films of polythiophene were synthesized using similar procedure, but using anhydrous FeCl3 as oxidant. In this system, the organic solvent used to compose the liquid interface has influence over the produced polythiophene. Specifically, aromatic solvents are involved in a proposed two-step polymerization, giving rise to graphene sheets built from benzene. Films of polythiophene produced in these solvents present distinct properties like the double electron donor/acceptor character, evidencing the hybrid nature of these films as a consequence of production of two materials in the same synthesis. The potential of these films was evaluated in organic solar cells, in which better performances were achieved in the hybrid structure compared with the pure polythiophene films.