My thesis work concerns the construction and the chemical-physical, spectroscopic and electrical characterization of a hybrid photodetector, in solid/liquid phase, characterized by the interface between a conjugated polymer semiconductor and an electolyte solution of ionic salt. The device is enclosed in an anodic contact of indium tin oxide (ITO) and a counter metallic electrode of platinum. The active material consists of a heterojunction between a thiophene based electron donor type polymeric material (rr-P3HT) and electron accepting type material (a soluble fullerene derivative). The adopted blend is now one of the most widely studied materials for the construction of conventional polymer solar cells. This system thus consists in an electrochemical cell with the ITO working electrode sensitivized by a photoactive material. The following experimental techniques have been adopted for the optical characterization of the device: absorption spectroscopy, photocurrent spectroscopy, photoinduced absorption spectroscopy, charge modulation and electroabsorption spectroscopy. pH measurements were performed in the electrolyte solution during operation of the system in the photovoltaic regime in order to describe the electrochemical oxidation-reduction processes taking place at the interface polymer/electrolyte solution. The study was completed by electrochemical impedance measurements in different regimes of work (electrical excitation frequencies and voltages of work), which allowed to characterize and quantify the phenomena of electron transfer and the formation of a double layer of charge in the solid/liquid interface, as well as providing useful information on the processes of oxidative degradation of the system. All of the information collected allowed to draw an accurate picture of the chemical and physical phenomena that take place in the hybrid device created, and to put the foundations for the engineering and optimization of the system, depending on the application of interest, both in biology, for photostimulation of neural cells, and in the energy field, for the generation of hydrogen.
Il mio lavoro di tesi ha riguardato la realizzazione e la caratterizzazione chimico-fisica, spettroscopica ed elettrica di un fotorivelatore ibrido, in fase solido/liquida, caratterizzato dalla interfaccia tra un polimero semiconduttore coniugato e una soluzione elettrolitica salina. Il dispositivo è racchiuso tra un contatto anodico di ossido di indio e stagno (ITO) ed un controelettrodo metallico di platino. Il materiale attivo è costituito da una eterogiunzione tra un materiale polimerico elettron-donore a base di tiofene (rr-P3HT) ed un materiale elettron-accettore (un derivato solubile del fullerene); il blend adottato costituisce ad oggi uno dei materiali più largamente studiati per la realizzazione di celle solari polimeriche convenzionali. Tale sistema consiste quindi in una cella elettrochimica con l’elettrodo di lavoro di ITO sensitivizzato da un materiale fotoattivo. Per la caratterizzazione ottica dei dispositivi realizzati sono state utilizzate le seguenti tecniche sperimentali: spettroscopia di assorbimento, spettroscopia di fotocorrente, spettroscopia di assorbimento fotoindotto (CW-PA), spettroscopia a modulazione di carica (CMS) ed elettroassorbimento (EA). Per descrivere i processi elettrochimici di ossido-riduzione aventi luogo all’interfaccia polimero/soluzione elettrolitica sono state eseguite misure di pH della soluzione elettrolitica durante il funzionamento del sistema in regime fotovoltaico. Lo studio è stato completato da misure di impedenza elettrochimica in diversi regimi di lavoro (frequenze dell’eccitazione elettrica e tensioni di lavoro), che hanno consentito di caratterizzare e quantificare i fenomeni di trasferimento elettronico e di formazione di un doppio strato di carica all’interfaccia solido/liquido, oltre a fornire utili indicazioni sui processi di degradazione ossidativa del sistema. L’insieme delle informazioni raccolte ha consentito di delineare un quadro accurato dei fenomeni chimico-fisici che hanno luogo nel dispositivo ibrido realizzato, e di porre quindi le basi per l’ottimizzazione e l’ingegnerizzazione del sistema, a seconda dell’applicazione di interesse, sia in campo biologico, per la fotostimolazione di cellule neurali, sia in campo energetico, per la generazione di idrogeno.
Caratterizzazione chimico-fisica dell’interfase tra polimeri semiconduttori ed elettroliti salini per applicazioni energetiche e in campo biologico
BELLANI, SEBASTIANO
2010/2011
Abstract
My thesis work concerns the construction and the chemical-physical, spectroscopic and electrical characterization of a hybrid photodetector, in solid/liquid phase, characterized by the interface between a conjugated polymer semiconductor and an electolyte solution of ionic salt. The device is enclosed in an anodic contact of indium tin oxide (ITO) and a counter metallic electrode of platinum. The active material consists of a heterojunction between a thiophene based electron donor type polymeric material (rr-P3HT) and electron accepting type material (a soluble fullerene derivative). The adopted blend is now one of the most widely studied materials for the construction of conventional polymer solar cells. This system thus consists in an electrochemical cell with the ITO working electrode sensitivized by a photoactive material. The following experimental techniques have been adopted for the optical characterization of the device: absorption spectroscopy, photocurrent spectroscopy, photoinduced absorption spectroscopy, charge modulation and electroabsorption spectroscopy. pH measurements were performed in the electrolyte solution during operation of the system in the photovoltaic regime in order to describe the electrochemical oxidation-reduction processes taking place at the interface polymer/electrolyte solution. The study was completed by electrochemical impedance measurements in different regimes of work (electrical excitation frequencies and voltages of work), which allowed to characterize and quantify the phenomena of electron transfer and the formation of a double layer of charge in the solid/liquid interface, as well as providing useful information on the processes of oxidative degradation of the system. All of the information collected allowed to draw an accurate picture of the chemical and physical phenomena that take place in the hybrid device created, and to put the foundations for the engineering and optimization of the system, depending on the application of interest, both in biology, for photostimulation of neural cells, and in the energy field, for the generation of hydrogen.File | Dimensione | Formato | |
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