Espectroscopia de absorção transiente eletrônica aplicada ao estudo de transferência de energia em nanopartículas semicondutoras orgânicas

Abstract

Resumo: Uma questão urgente que sociedades bem-sucedidas no século XXI terão de abordar é o desenvolvimento de novas fontes de energia "limpas" e sustentáveis. Devido ao seu baixo custo de produção e grande versatilidade de uso como, por exemplo, em células solares, fotodetectores, diodos emissores de luz, etc., dispositivos optoeletrônicos baseados em materiais orgânicos conjugados são uma alternativa promissora aos seus equivalentes inorgânicos. O entendimento (foto)físico básico subjacente à atividade óptica e eletrônica de materiais optoeletrônicos orgânicos é uma área de pesquisa muito ativa devido à complexidade dos estados excitados de tais estruturas. Várias questões ainda restam ser esclarecidas. A energia produzida por sistemas fotovoltaicos orgânicos (OPVs) promete ser uma tecnologia econômica, sustentável e ecologicamente correta. No entanto, a aplicação generalizada de OPVs ainda é dificultada principalmente devido à sua baixa eficiência e a outros problemas tais como os impactos ambientais causados por solventes tóxicos utilizados em sua construção. Neste trabalho de tese, investigamos a dinâmica da transferência de energia em nanopartículas poliméricas (NPs) dispersas em água de F8T2, MDMO-PPV e suas misturas (bicomponentes) sintetizadas pela técnica de miniemulsão. Usando absorção transiente de femtossegundos e espectroscopia de fluorescência resolvida no tempo, mostramos que a transferência de energia por ressonância Förster (FRET) pode ser promovida nas NPs bicomponentes em uma escala de tempo ultrarrápida e modulada pela variação nas concentrações de polímeros. A maior eficiência FRET alcançada para as NPs bicomponentes em comparação com resultados já relatados para sistemas doadores-aceitadores de componente único implica que essa estratégia pode ser utilizada em blocos de construção de arquitetura ternária. Nossos resultados sugerem que as NPs bicomponentes poliméricas dispersas em água são estruturas promissoras para serem incorporadas em estruturas ternárias de OPVs em combinação com aceitadores, como o fulereno C60 ou os novos aceitadores não fulerênicos, para estender a banda de absorção, aumentar a eficiência de transferência de energia, e facilitar a dissociação do éxciton.

Abstract: An urgent issue that successful societies in the 21st century will have to address is the development of new "clean" and sustainable energy sources. Due to their low production cost and great versatility of use, for example, in solar cells, photodetectors, light emitting diodes, etc., optoelectronic devices based on conjugated organic materials are a promising alternative to their inorganic equivalents. The basic (photo)physical understanding underlying the optical and electronic activity of organic opto-electronic materials is a very active area of research due to the complexity of the excited states of such structures. Several issues remain to be clarified. The energy produced by organic photovoltaic systems (OPVs) promises to be an economical, sustainable and ecologically correct technology. However, the widespread application of OPVs is still hampered mainly due to their low efficiency and other problems such as the environmental impacts caused by toxic solvents used in their construction. In this thesis work, we investigated energy transfer dynamics in water-dispersed polymeric nanoparticles (NPs) of F8T2, MDMO-PPV, and their mixtures (bicomponent) synthesized by the miniemulsion technique. Using transient femtosecond absorption and time-resolved fluorescence spectroscopy, we show that Förster resonance energy transfer (FRET) can be promoted in bicomponent NPs on an ultrafast timescale and modulated by varying polymer concentrations. The higher FRET efficiency achieved for bicomponent NPs compared to previously reported results for single component donor-acceptor systems implies that this strategy can be used in building blocks of ternary architecture. Our results suggest that polymeric bicomponent NPs dispersed in water are promising structures to be incorporated into ternary structures of OPVs in combination with acceptors, such as fullerene C60 or the new non-fullerene acceptors, to extend the absorption band, increase the efficiency energy transfer, and facilitate exciton dissociation.