Morphological studies of solid state processed poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) with polystyrene

Organic solar devices (OPVs) are potentially lightweight, economical and easy to produce alternatives to silicon. The main drawback of OPVs is their poor energy efficiency. Most of the research to date has been based on an evolutionary approach, emphasizing the role of solvent selection and annealing to induce phase-separation in the layer where the excitons are generated (the active layer) to satisfy device performance. However, the key to solve the efficiency problem should be sought in the study of structure-property relationships of the single components of the active layer and the development of novel manufacturing methods. A better control of the morphology could allow for superior charge-transport properties and exciton diffusion length, which are major issues hampering utilization of the photogenerated excitons. We are currently investigating the evolution of the crystallinity of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) of two different molecular weights (Mw) upon stacking and hot pressing with a well-known amorphous polymer: polystyrene (PS). Thermal analysis has shown that crystallinity does not depend on the molecular weight of solid-state processed P3HT. Differential scanning calorimetry suggests that the thickness of the lamellar crystals does not significantly change with an increasing number of stacking. Solid-state nuclear magnetic resonance shows a steady decrease in the domain size of amorphous P3HT with increasing number of compressions. Based on the results obtained, it is possible to infer that solid-state processing of P3HT and PS does not lead to the formation of alternating layers of the two materials. Further studies are needed to confirm the observed trends and correlate changes in crystallinity to the charge-carrier (hole) mobility in the conjugated polymer considered.

L’utilizzo di polimeri conduttori nelle celle fotovoltaiche in materiale organico (OPVs) costituisce una potenziale alternativa al tradizionale impiego del silicio in quanto é possibile produrre in modo relativamente agevole apparecchiature economiche e leggere. Il maggiore svantaggio degli OPVs é la loro scarsa capacitá di conversione della luce incidente in elettricitá. Ad oggi, numerosi studi sono stati compiuti sulla scelta del solvente e del trattamento termico capaci di indurre una separazione delle fasi presenti nello strato in cui vengono generati gli eccitoni (active layer). Una strategia per la risoluzione del problema della scarsa efficienza energetica degli OPVs consiste nello studio delle relazioni struttura-proprietá delle singole componenti dell’active layer e nello sviluppo di nuovi metodi di produzione. Un migliore controllo della morfologia dello strato in cui vengono generati gli eccitoni consente di ottenere migliori proprietá di trasporto di carica e una maggiore lunghezza di diffusione degli eccitoni. Nella presente tesi é stata studiata l’evoluzione della cristallinitá del polimero conduttore P3HT in seguito alla sovrapposizione e compressione a caldo di strati di questo materiale semicristallino con strati di polistirene (PS), un noto polimero amorfo. L’analisi termica ha mostrato che la cristallinitá non dipende dal peso molecolare quando il P3HT é lavorato allo stato solido con PS. La calorimetria a scansione differenziale indica come lo spessore dei cristalli non vari in modo significativo all’aumentare del numero di compressioni a caldo. La risonanza magnetica nucleare allo stato solido mostra la riduzione delle dimensioni dei domini amorfi nel P3HT all’aumentare del numero di compressioni. I risultati ottenuti spingono a ipotizzare la formazione di una morfologia diversa dalla sovrapposizione di strati alterni di P3HT e PS in seguito alla lavorazione allo stato solido di tali materiali. Ulteriori studi sono necessari per confermare gli andamenti osservati e correlare i cambiamenti della cristallinitá con la mobilitá delle buche nel polimero conduttore qui preso in considerazione.