Structure and modeling of advanced materials for organic electronics and photovoltaics

The development of organic materials for applications in electronics and photovoltaics, as part of thin film devices, has been an intensively studied subject of academic research within the last 30 years. The interest in such materials stems from the possibility of cheap manufacturing of devices, such as ink-jet and roll-to-roll printing, that could effectively compete with classic inorganic materials used in the established electronics and photovoltaics industry. Another advantage of using these materials lies in the development of light-weight and flexible thin films devices that would imply relatively easy integration of smart materials in different products, ranging from packaging to clothing. The classes of organic compounds that show interesting and relevant properties for these applications are aromatic and π-conjugated chemicals, first among which are thiophene-based and fullerene-based materials, electron donor and acceptor materials, respectively. Within this thesis extensive characterization of substituted Oligothiophenes (OTs), poly(alkylthiophenes) (PATs) and fullerenic materials in the solid state, mainly by means of diffraction, electron microscopy and thermal analysis, is reported. The results of the structural characterization of these materials allow: 1) the modelling of optoelectronic properties of π-conjugated compounds, taking into account the effect of solid-state aggregation on the electronic processes relevant in their application in electronics and photovoltaics, and 2) to extend the knowledge of the aggregation behaviour of these materials during deposition from solution or thermal treatments crucial in the development of the processing of said materials in thin films.

Lo sviluppo di materiali organici per applicazioni nel campo dell’elettronica e del fotovoltaico, in device a strato sottile, è stato oggetto di studio della ricerca accademica negli ultimi 30 anni. L’interesse per tali materiali deriva dalla possibilità di utilizzare processi manifatturieri a basso costo, come stampa ink-jet e roll-to-roll. Un ulteriore vantaggio, derivante dall’uso di questi materiali, giace nello sviluppo di materiali avanzati ultraleggeri e flessibili che implicano la possibilità di integrare questi nuovi materiali in diversi prodotti, che possono variare dal packaging a quelli tessili. Le classi di composti organici che mostrano proprietà interessanti e rilevanti per queste applicazioni sono molecole aromatiche e π-coniugate; tra le più note vi sono i composti a base tiofenica e fullerenica. In questa tesi, viene riportata l’estensiva caratterizzazione di oligotiofeni (OT) sostituiti, polialchiltiofeni (PAT) ed infine composti fullerenici, principalmente per mezzo di tecniche di diffrazione, microscopia elettronica ed analisi termica. I risultati delle caratterizzazioni strutturali permettono: 1) la modellazione delle proprietà optoelettroniche dei composti π-coniugati, tenendo in considerazione l’influenza dell’aggregazione allo stato solido sui processi elettronici rilevanti nella loro applicazione nell’elettronica e nel fotovoltaico, e 2) ad accrescere la conoscenza del comportamento di aggregazione di tali materiali durante la deposizione da soluzione e trattamenti termici, entrambi cruciali nello sviluppo delle tecniche per processare suddetti materiali in strato sottile.