Structure, morphology and molecular simulations of materials for organic photovoltaic applications: benzodithiophene/thienopyrroledione-based copolymers and related model compounds

In the last decades, huge efforts have been made by the scientific community in order to develop more efficient and less expensive technologies for renewable energy harvesting. One of the most promising sources is organic photovoltaics, due to characteristic properties of organic materials, like the low cost of synthesis, chemical tuning of optical and mechanical properties and demonstrated ease of printing for mass production. The most used and studied materials for this purpose are polymers and fullerenes (or fullerene derivatives), acting as electron donor and acceptor moieties, respectively. In particular, copolymers attract a huge interest because of the ease of tuning their absorption and electrical properties modulating their structures. In this thesis, a characterisation of a particular copolymer (PBDTTPD), of two pertinent trimers, of the dimer and of the two comonomers is reported, with the objective to investigate the conformational behaviour and the structure-properties relationship. In order to improve our understanding of these materials, studies based on X-ray diffraction, thermal analysis, photophysics and molecular modelling were carried out. In addition, in the case of polymers, oligomers and a specific trimer, an extensive conformational study has been performed in different solvents using the 1H-NMR technique. This allowed us to obtain a good comprehension of these systems in three of the most used solvents for thin-film deposition in organic solar cells manufacturing, besides improving our understanding of how these systems manage to partially order in the solid state.

Negli ultimi decenni, sono stati fatti enormi sforzi da parte della comunità scientifica con l’obiettivo di sviluppare tecnologie più efficienti e più economiche nel campo delle energie rinnovabili basate sul solare fotovoltaico. Tra queste, il fotovoltaico organico risulta essere uno dei più promettenti grazie alle proprietà intrinseche dei materiali organici come ad esempio il loro basso costo di sintesi, la possibilità di modificarne le proprietà ottiche e meccaniche e la facilità di stampa per la produzione di massa. I materiali più studiati per questi fini sono i polimeri e i fullereni (o i loro derivati), cioè rispettivamente le componenti elettron-donatrici e quelle accettrici. Nello specifico, i copolimeri risultano maggiormente indicati per la loro facilità nel modificare il loro assorbimento e le proprietà elettriche modulandone la struttura. In questa tesi, viene riportata una caratterizzazione di un particolare copolimero (PBDTTPD), dei due relativi trimeri, del dimero e dei due comonomeri con l’obiettivo di comprenderne il comportamento conformazionale e la relazione struttura-proprietà. Sono stati eseguiti studi basati sulla diffrazione a raggi X, analisi termiche e fotofisiche e "modelling" molecolare. In aggiunta, nel caso dei polimeri, degli oligomeri e di uno specifico trimero, è stato dedicato uno studio approfondito utilizzando la tecnica 1H-NMR in vari solventi. Ciò ci ha permesso di ottenere una chiara comprensione di questi sistemi in tre dei più comuni solventi impiegati nella deposizione di film sottili per la produzione di celle solari organiche, oltre a migliorare la nostra comprensione circa l’ordinamento parziale di questi sistemi allo stato solido.