Ternary blends for organic photovoltaics

Organic photovoltaics (OPV) have attracted increasing interest over the last decade resulting in their efficiencies to have risen to over 10 %. This development is driving organic photovoltaic technologies towards commercialization. To full exploit their touted potential, however, other prerequisites need to be fulfilled: for example, beside a sufficient device performance, OPVs ideally should also feature a good mechanical stability. In addition, they should be amenable to straight-forward processing routes. So far it has, however been challenging to introduce such features. One reason for this is the small thickness of the OPV active layers (generally < 100 nm) that is required for optimal performance of the solar cells, limiting both, mechanical robustness and ease of processing of such structures. In this thesis, a range of optoelectronic and structural properties of ternary blends for photovoltaic applications, previously shown to display favourable rheological and mechanical properties compared to the common donor:acceptor binaries, are explored to address this issue. To this end, we selected the electrically insulating high-density polyethylene (HDPE) as a third component of systems comprising the donor:acceptor combination of poly(3-hexylthiophene) and phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). Binary systems were first studied in order to explore the influence of HDPE on the properties of the neat P3HT and PCBM. Thereby, P3HT:HDPE and PCBM:HDPE binary blends were first analysed. In a second set of experiments, we then focused on ternary blends comprising P3HT, PCBM and HDPE. The weight ratio between the active components was for this purpose kept to 1:1, while the HDPE content was varied. We find that various electronic and morphological properties strongly depend on the active layers’ thickness and provide evidence that films comprising the ternary blend display sufficiently high photovoltaic properties at larger thicknesses compared to the common donor:acceptor binaries. These observations are supported by a study using other OPV blends. We concentrate here on those comprising a diketopyrrolopyrrole (DPPTTT) derivative as donor polymer.

Negli ultimi anni i semiconduttori organici, polimeri e small molecules, hanno attirato un interesse sempre maggiore della comunità scientifica per l’ottimale combinazione di alcune loro caratteristiche, quali ad esempio: buone proprietà optoelettroniche, leggerezza, flessibilità e facilità di deposizione. Uno degli ambiti d’applicazione di tali materiali è il fotovoltaico, dove i materiali organici si propongono come alternativa al silicio. Nonostante le celle fotovoltaiche al silicio siano caratterizzate ancora da maggiore efficienza, sono anche contraddistinte da un elevato costo ed elevato impatto ambientale del processo di produzione. Al fine di migliorare l’efficienza delle celle fotovoltaiche organiche è necessario utilizzare un blend di due diversi materiali, un donatore ed un accettore. In tal senso il sistema ampiamente più studiato è la miscela binaria tra poli(3-esiltiofene) (P3HT) ed estere metilico dell’acido [6,6]-fenil C61-butirrico (PCBM). Il lavoro di tesi in oggetto si propone di studiare un sistema ternario con l’aggiunta di polietilene ad alta densità (HDPE) al blend binario. La miscela è dunque del tipo P3HT:PCBM:HDPE. L’idea è quella di aggiungere un ulteriore polimero, inattivo dal punto di vista elettronico, con il quale è però possibile migliorare le proprietà reologiche e meccaniche del film, facilitando così la scalabilità industriale. Studi preliminari hanno dimostrato che il blend con HDPE non peggiora la mobilità delle cariche, ma in alcuni casi ha effetti migliorativi, anche per elevate percentuali di polietilene. [1] Altri studi dimostrano inoltre come tali miscele possano essere utilizzate in applicazioni fotovoltaiche senza peggiorare necessariamente i rendimenti. [2] Tuttavia l’effetto dell’utilizzo del HDPE su alcune proprietà dei film non è ancora stato oggetto di studi approfonditi. Tali proprietà comprendono: aggregazione delle macromolecole di P3HT, formazione di aggregati di PCBM, quenching dell’eccitone e generazione di cariche libere. In questa tesi ci si propone dunque di studiare tali proprietà al variare della quantità di polietilene aggiunto e dei parametri di processo. Inizialmente sono stati studiati dei blend binari tra HDPE ed i materiali attivi, di conseguenza sono state analizzate miscele P3HT:HDPE e PCBM:HDPE. Successivamente l’attenzione è stata rivolta sullo studio di miscele ternarie. Il rapporto in peso tra P3HT e PCBM è stato mantenuto costante (1:1), mentre il contenuto del HDPE è stato variato sistematicamente. La caratterizzazione dei film è stata eseguita utilizzando principalmente le seguenti tecniche: spettroscopia UV-vis, spettroscopia di fluorescenza (PL), transient absorption spectroscopy (TAS), microscopio ottico, calorimetria differenziale a scansione (DSC). Nella tesi vengono proposti tra gli altri i risultati sperimentali in cui si mette in luce una forte dipendenza tra alcune proprietà optoelettroniche con lo spessore dei film. Nel caso di miscele binarie P3HT:PCBM, sono necessari film molto fini (< 100 nm) per ottimizzare i rendimenti delle celle. Film ternari prodotti con questi spessori forniscono proprietà insoddisfacenti; se però gli spessori vengono aumentati (~500 nm), le proprietà migliorano e tornano ad essere compatibili con i requisiti necessari per applicazioni fotovoltaiche. Questo risultato è confortante in quanto l’obiettivo iniziale era quello di migliorare le prestazioni meccaniche del film, dunque l’interesse era proprio quello di produrre film più spessi. In questa tesi è anche proposto lo studio di un altro polimero semiconduttore, utilizzandolo al posto del P3HT. Il polimero utilizzato è un derivato del dichetopirrolpirrolo, DPPTTT. Vengono presentati inizialmente i risultati concernenti il blend binario DPPTTT:PCBM e successivamente quelli relativi altre miscele binarie e ternarie con il HDPE, descrivendone le caratteristiche e i possibili vantaggi.