Correlações entre composição, propriedades fotofísicas e comportamento fotovoltaico de copolímeros e fluoreno-tiofeno

Abstract

Resumo: Foram estudadas as propriedades fotofísicas e fotovoltaicas de três copolímeros alternados de fluoreno-tiofeno, com estrutura similar, nos quais foram feitas inserções sistemáticas de grupos tiofeno na cadeia principal: poli(9,9'-n-dihexil-2,7-fluoreno-alt-2,5-tiofeno) (LaPPS23), poli(9,9'-n-dihexil-2,7- fluoreno-alt-5,5':2,2'-bitiofeno) (LaPPS43) e poli(9,9'-n-dihexyl-2,7-fluorene-alt- 5,5'':2,2':5',2''-tertiofeno) (LaPPS45). Os três copolímeros foram sintetizados por acoplamento Suzuki. As estruturas dos intermediários e dos produtos finais sintetizados foram caracterizadas e discutidas, com uma proposta de mecanismo para as mesmas. A caracterização fotofísica foi feita em soluções de diversas concentrações e em filme, possibilitando o acesso à influência da quantidade de grupos tiofeno nestas propriedades. As propriedades fotovoltaicas obtidas para as células em bicamada e em blenda dispersa utilizando os polímeros LaPPS 23, LaPPS 43 e LaPPS 45 como camada ativa foram avaliadas, incluindo variações na construção das células,notadamente a espessura da camada polimérica. Foram estabelecidas correlações entre os comportamentos fotofísico e fotovoltaico. As propriedades eletrônicas foram avaliadas através de medidas de mobilidade, e dentro do quadro geral das propriedades dos materiais originais a previsão de melhor comportamento fotovoltaico para o polímero contendo o maior numero de grupamentos tiofeno (LaPPS45) foi confirmada. No entanto, após tratamento térmico esta tendência variou, e o polímero com dois grupos tiofeno (LaPPS43) apresentou maior eficiência fotovoltaica, sete vezes maior do que o polímero original. A morfologia estudada por microscopia de força atômica revelou ser um dos fatores chave para o desempenho dos materiais para a construção de células solares.

Abstract: The photophysical and photovoltaic properties of three alternated fluorenethiophene copolymers were studied. With similar structure the copolymers differed by the numbers of thiophene units linked to each fluorene one, namely poly(9,9'-n-dihexyl-2,7-fluorene-alt-2,5-thiophene) (LaPPS23), poly(9,9'-ndihexyl- 2,7-fluorene-alt-5,5':2,2'-bithiophene) (LaPPS43) and poly(9,9'-ndihexyl- 2,7-fluorene-alt-5,5'':2,2':5',2''-terthiophene) (LaPPS45). All three materials were synthesized through the Suzuki cross coupling polycondensation. The structures of the intermediates and of the final products were described and discussed along with a mechanistic proposal for them. The photophysical properties were studied in solutions of different concentrations and in film form, making it possible to access the influence of the number of thiophene rings in the repeating unit. The photovoltaic properties of bilayer cells and in bulk heterojunction configurations using the polymers LaPPS 23, LaPPS 43 and LaPPS 45 as active layer were evaluated, including variations in cell parameters specially the thickness. The correlations between photophysical and photovoltaic behaviors were addressed. The electronic properties were analyzed through mobility measurements and the overall properties pointed out to LaPPS 45 as the best material, as anticipated, due to the large number of thiophene units. However, after thermal annealing the polymer containing two thiophene rings presented the best photovolataic efficiency, seven fold greater than the pristine material. The morphology, studied by atomic force microscopy, revealed to be one of the key factors for the performance of the materials as solar cells.