Tailoring oligo and polythiophenes for interface optimization in hybrid solar cells

The PhD research activity described in this thesis has focused principally on the development of thiophene-based materials for third generation, hybrid organic-inorganic photovoltaic cells. In these devices, conjugated polymers are the organic component which absorbs light and transfer the photo-excited electrons to a nano- crystalline metal oxide semiconductor, either titanium dioxide or zinc oxide, with the role of transporting the electrons to the external circuit. Although solid state hybrid photovoltaics has great potential for offering a cost-effective approach to convert solar energy into electricity, performances so far obtained are rather low, due to problems at the organic/inorganic interface. The use of the aforementioned thiophene-based organic scaffolds into solid state hybrid devices has been tested and some useful guidelines for the future development of more effective materials have been traced. Particularly promising results were obtained with the use of novel functionalized oligothiophenes as interlayers between the two main components of the hybrid device. These derivatives bear pyridyl groups aimed at ensuring suitable interactions with the inorganic matrix and thiophenes aimed at inducing supramolecular ordering of the conjugated polymer onto the hybrid interface. As a side project, roughly unrelated to the leading theme of the PhD, the photoluminescence properties of phenyl end-capped oligothiophenes were evaluated with regard to the solid-state organization.

L'attività di ricerca descritta in questa tesi di dottorato ha riguardato principalmente lo sviluppo di materiali a base tiofenica per l'utilizzo in celle fotovoltaiche ibride organiche-inorganiche di terza generazione. In questi dispositivi,i polimeri coniugati costituiscono la componente organica che ha la funzione di assorbire la radiazione solare e trasferire gli elettroni foto-eccitati ad un ossido metallico nano-cristallino semiconduttore, come il biossido di titanio o l'ossido di zinco, con il ruolo di trasportare gli elettroni nel circuito esterno. Sebbene i dispositivi fotovoltaici ibridi a stato solido abbiano il potenziale per costituire un'alternativa a basso costo per convertire la radiazione solare in elettricità, le prestazioni ottenute finora sono piuttosto scarse, a causa di problemi all'interfaccia organico/inorganico. L'uso dei derivati a base tiofenica sopra citati in dispositivi ibridi a stato solido è stato testato ed alcune utili linee guida per il futuro sviluppo di materiali più efficaci sono state tracciate. Risultati particolarmente promettenti sono stati ottenuti grazie all'uso di nuovi oligotiofeni funzionalizzati come interlayers tra le due componenti principali del dispositivo ibrido. Questi derivati recano sostituenti piridilici per assicurare l'interazione con la matrice inorganica, mentre la parte tiofenica permette l'ordinamento del polimero coniugato sull'interfaccia ibrida. Come progetto collaterale, abbastanza scollegato al tema principale della tesi di dottorato, le proprietà di fotoluminescenza di alcuni oligotiofenici sostituiti nelle posizioni terminali con gruppi fenilici sono state valutate in relazione alla loro organizzazione allo stato solido.