Polimerización por arilación directa de poli3-hexiltiofeno: síntesis, caracterización y análisis de la relación estructurapropiedad- eficiencia en celdas solares orgánicas

Resumen Una serie de poli(3-hexiltiofenos) (P3HTs) regiorregulares (RR) fue sintetizada por polimerización por arilación directa (DArP), un método considerado ambientalmente amigable. Los polímeros obtenidos fueron analizados por RMN de 1H, DSC, TGA, GPC, FT-IR, UV-vis, fluorescencia, voltametría cíclica, XRD de polvos y en película, y GIWAXS-2D posteriormente, fueron aplicados en la capa activa de celdas solares orgánicas (OSCs) con estructura de heterounión de volumen (BHJ) empleando PC71BM como aceptor y Field’s metal como un electrodo superior alternativo depositado sin vacío, y se realizó su caracterización fotovoltaica. La morfología de las capas activas de las OSCs se estudió en el AFM y mediante GIWAXS-2D. Un análisis de las propiedades de los P3HTs correlacionadas con la eficiencia de conversión de energía (PCE) de las OSCs fabricadas, reveló que los mejores desempeños fotovoltaicos (3.6 y 3.4%) fueron obtenidos con P3HTs de bajo peso molecular (Mn= 5.1 y 4.9 kDa) y IPD cercano a la unidad (1.3 y 1.5), de más alta RR (94 y 93 % HT), libres de defectos-, y como los resultados de XRD y GIWAXS lo confirman, con una orientación edgeon de los polímeros sobre el sustrato, con los mayores tamaños de cristal y los picos de Bragg más intensos y definidos; siendo esta última, la característica más determinante para obtener los mejores desempeños en los dispositivos de este trabajo. Por el otro lado, en los polímeros sintetizados con las más altas cantidades de catalizador (1.25 y 1.00 % mol) se confirmó la presencia de defectos- (obteniendo las más deficientes PCEs), sin embargo, una adición gradual del catalizador durante la reacción evitó este tipo de ramificación indeseable. Los cálculos teóricos permitieron analizar el arreglo cristalino de los polímeros. Adicionalmente, se fabricaron OSCs ternarias agregando una molécula de bajo peso molecular denominada ITIC (no fullereno) como tercer componente en la capa activa de las OSCs; logrando superar la PCE del sistema binario P0.05-PC61BM con una diferencia del 14 %, no obstante, una investigación más amplia de los sistemas ternarios es requerida.

Abstract A serie of regioregular (RR) poly(3-hexylthiophenes) P3HTs was synthetized by direct arylation polymerization (DArP), an eco-friendly method. Obtained polymers were analyzed by 1H NMR, DSC, TGA, GPC, FT-IR, UV-vis, fluorescence, cyclic voltammetry, powder and films XRD, 2D-GIWAXS and, then, were applied in the active layer of bulk heterojuntion (BHJ) organic solar cells (OSCs) employing PC71BM as acceptor and Field’s metal as an alternative top electrode vacuum-free deposited, it was carried out their photovoltaic characterization. The morphology of active layers was studied by AFM and by 2DGIWAXS. An analysis of the P3HTs properties correlated with the power conversion efficiency (PCE) of fabricated OSC, revealed that the best photovoltaic performances (3.6 and 3.4 %) were obtained with the P3HTs of low molecular weight (Mn= 5.1 and 4.9 kDa) and IPD nearest to one (1.3 and 1.5), with the highest rr-P3HTs (94 and 93 % HT), -defects free, and as the X-ray diffraction and GIWAXS results endorse, with an edge-on orientation over substrate, with the highest size crystal and the highest and sharpest Bragg peaks, being this last characteristic the most decisive to obtain the best performance in the devices from this work. On the other hand, in the polymers synthetized with the highest amount of catalyst (1.25 and 1.00 % mol) the presence of -defects was confirmed (obtaining the most deficient PCEs), nevertheless, a gradual addition of catalyst during reaction avoided this kind of undesirable branching. Theoretical calculations allowed to analyze the crystalline arrangement of the polymers. Additionally, ternary OSCs were manufactured by adding a small molecule named as ITIC (non fullerene) as third component in the active layer of the OSCs; it was possible to overcome the PCE of the binary system P0.05:PC61BM with a difference of 14 %, however, a broader investigation of ternary system is required.