Desarrollo de oligómeros y polímeros donador-aceptor basados en dicetopirrolopirrol (DPP): análisis fisicoquímico, fotofísico y su evaluación en celdas solares orgánicas ternarias

Se realizó la síntesis de seis oligómeros (divididos en dos familias) y tres polímeros por medio de la metodología de arilación directa (tipo Fagnou) utilizando una ruta con aditivo (ácido neodecanoico) y otra ruta con la sal del aditivo (pivalato de potasio). Estos materiales orgánicos son derivados del dicetopirrolopirrol (DPP) que actúa como fracción deficiente en electrones, y tres moléculas donadoras que son el tienotiofeno (TT), bistienotiofeno (BTT) y el fluoreno (F). Se probaron diferentes porcentajes de catalizador en cada grupo de moléculas y se obtuvieron rendimientos por arriba del 50 % en la mayoría de los casos e incluso un 89 % en un oligómero con DPP y TT. A través de resonancia magnética de protón (RMN de 1H) y espectroscopía infrarroja (FT-IR), se logró la caracterización estructural de cada compuesto, encontrando sus desplazamientos y vibraciones correspondientes. Con las técnicas de termogravimetría y calorimetría diferencial de barrido se calcularon las temperaturas de descomposición mayores 400 °C, lo cual los hace aptos para aplicaciones optoelectrónicas. Por medio de cromatografía de permeación en gel se midieron los pesos moleculares, resultando los mayores pesos para la familia de polímeros con fluorenos (Mn = 13.87 KDa) mientras que para los derivados de TT y BTT se obtuvieron pesos Mn entre 2.63 – 3.19 KDa dando lugar a oligómeros. Se caracterizaron las dobles bandas de absorción en cada uno de los oligómeros y polímeros usando UV-Vis y se percibió que el estado fundamental es insensible al efecto del disolvente porque la polaridad no conduce a cambios significativos en las bandas de absorción. También presentaron bandas notables de fotoluminiscencia infrarroja con picos en el rango 712 – 753 nm y exhiben características vibrónicas que replican los espectros de absorción para las transiciones 0–0 y 0–1, además estos materiales poliméricos mostraron emisiones de fluorescencia con rendimientos cuánticos superiores a 40 %. Se elaboraron celdas solares binarias con P3HT y PC₇₁BM, y PBDB-T e ITIC, a las cuales se les incorporaron los primeros compuestos de cada familia para generar celdas ternarias, esto resultó en un aumento de eficiencia de conversión fotovoltaica. En el caso de las celdas fullerénicas el incremento de rendimiento fotovoltaico fue de 3.29 % a 4.21 %, y para los dispositivos con ITIC, el aumento fue de 8.03 % a 9.10 %. Por medio de microscopia de fuerza atómica y óptica se analizó la morfología de la capa activa con diferentes porcentajes en peso del tercer componente, donde se observa una clara relación entre la cantidad añadida y la rugosidad, puesto que afecta la morfología de la película activa y provoca una disminución de la eficiencia de conversión. También se estudió la óptica no lineal obteniendo valores de la sección transversal de hasta 936 GM para un derivado con TT, 921 GM con el polímero con BTT y 621 GM usando F como fragmento donador, todos a 950 nm de excitación. Finalmente, con espectroscopia ultrarrápida se midió la dinámica de estados excitados de estos derivados en solución, película y nanopartículas.