N-type doping of a polymer semiconductor with an iminostilbene functionalized benzimidazole

The development of energy harvesting solutions represents one of the most important challenges towards the production of low consumption self-powered electronic devices. Indeed, it would allow to reduce the usage of batteries that have limited scalability and life-time and need frequent recharges and/or substitutions. In this picture thermoelectric generators (TEGs), able to convert thermal energy in electric power through the Seebeck effect, could be a game-changer in the field of portable and wearable electronics and in IoT technologies. Regarding materials, the efficiency of TEGs is maximized using doped semiconductors and the research is aimed to find non-toxic, low cost and flexible solutions. Organic semiconductors like small molecules and conjugated polymers appear to have the potential to answer to this need. P-type organic materials have been largely studied obtaining interesting results, while the n-type counterpart is still lagging behind presenting issues related to both performances and air-stability. In this respect it is of crucial importance to develop more efficient n-doping strategies. The aim of this thesis work is to investigate a new dopant molecule belonging to the family of benzimidazoles and characterized by iminostilbene functionalization, hence the acronym IStBI. To investigate its performances, the well-studied donor-acceptor copolymer P(NDI2OD-T2) (poly{(N,N’-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-,6-diyl] -alt-5,5’-(2,2’-bithiophene)}) was selected as a suitable platform. Compared to other similar dopants, IStBI has an higher crystallinity that perturbs less the microstructure of the film and unprecedented electrical conductivity and power factor values were obtained for doped P(NDI2OD-T2) thin films.

Lo sviluppo di soluzioni di recupero dell'energia rappresenta una delle sfide più importanti verso la produzione di dispositivi elettronici autoalimentati a bassa potenza. Infatti, ciò permetterebbe di ridurre l'uso di batterie che hanno una scalabilità e una durata limitata e necessitano di frequenti ricariche e/o sostituzioni. In questo quadro i generatori termoelettrici (TEG), in grado di convertire l'energia termica in energia elettrica attraverso l'effetto Seebeck, potrebbero essere un punto di svolta nel campo dell'elettronica portatile e indossabile e nelle tecnologie IoT. Per quanto riguarda i materiali, l'efficienza dei TEG è massimizzata utilizzando semiconduttori drogati e la ricerca mira a trovare soluzioni non tossiche, a basso costo e flessibili. I semiconduttori organici, come piccole molecole e polimeri coniugati, rispondono a questo bisogno. I materiali organici di tipo p sono stati ampiamente studiati ottenendo risultati interessanti, mentre la controparte di tipo n è rimasta più indietro e presenta problemi relativi sia alle prestazioni che alla stabilità in aria. In questo senso è di cruciale importanza sviluppare efficienti strategie di drogaggio n. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di studiare una nuova molecola drogante appartenente alla famiglia dei benzimidazoli e caratterizzata da una funzionalizzazione con iminostilbene, da cui l'acronimo IStBI. Per studiare le sue prestazioni, è stato scelto il noto copolimero donatore-accettore P(NDI2OD-T2) (nome IUPAC: poly{(N,N’-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-,6 - diyl]-alt-5,5’-(2,2’-bithiophene)}). Rispetto ad altri droganti simili, IStBI ha una maggiore cristallinità che perturba meno la microstruttura del film e valori di conducibilità elettrica e fattore di potenza senza precedenti sono stati ottenuti per film sottili di P(NDI2OD-T2) drogati.