Analisi mediante spettroscopia EPR dei processi fotoindotti in nuovi materiali organici fotovoltaici

In questa tesi si sono studiati diversi materiali polimerici e fullerenici di nuova generazione, potenzialmente applicabili nella realizzazione di celle fotovoltaiche organiche a eterogiunzione diffusa (BHJ). Lo studio è stato condotto mediante la spettroscopia EPR, che rappresenta uno strumento efficace nell’identificazione di specie paramagnetiche fotogenerate e nella determinazione dei vari processi fotofisici che hanno luogo nelle miscele donatore-accettore (D-A). I polimeri studiati appartengono a varie classi di polimeri semiconduttori organici. Come sistema modello è stato considerato il poli-3esil-tiofene (P3HT), un polimero coniugato noto ed utilizzato da tempo. Questo polimero possiede un assorbimento nel visibile non ottimale a causa di un band-gap relativamente elevato. Per questo motivo sono stati studiati, in questa tesi, recenti polimeri a più basso band-gap, che hanno nella catena polimerica l’alternanza di unità elettron-povere e unità elettron-ricche. Tre di questi polimeri, APFO3, PCDTBT e Psif-DBT, differiscono fra loro principalmente per l’unità elettron-ricca (fluorene, carbazolo e silafluorene). Sono stati studiati i polimeri PTB7 e PCBTDPP, entrambi sono disponibili commercialmente e mostrano notevoli efficienze fotovoltaiche. I derivati fullerenici utilizzati come partner accettori nelle miscele D-A sono stati il PCBM e i derivati fullerenici ICMA e ICBA, rispettivamente un mono e un bis addotto del C60. Infine si è studiato il materiale MC52, un derivato fullerenico sintetizzato recentemente dal gruppo del professor Maggini nel dipartimento di chimica all’Università di Padova. In questo lavoro sono state utilizzate due varianti della spettroscopia EPR. La prima di queste è il Light-induced EPR (LEPR), una spettroscopia stazionaria che ha permesso di verificare la fotogenerazione delle specie radicaliche cariche nelle miscele polimero:fullerene, ottenute combinando fra loro i materiali a disposizione. Le specie radicaliche sono state caratterizzate determinando per ognuna di esse il fattore g. L’altra tecnica utilizzata è stata il Time-Resolved EPR (TR-EPR), una spettroscopia transiente che ha consentito lo studio dello stato elettronico eccitato di tripletto dei vari materiali, analizzati singolarmente prima in soluzione congelata e poi in film. Le specie in stato di tripletto sono state caratterizzate misurando i fattori g, i parametri di Zero-Field Splitting e le popolazioni dei livelli dagli spettri ottenuti. Lo studio delle miscele polimero:fullerene, condotto tramite TR-EPR, ha permesso di individuare le varie specie paramagnetiche fotogenerate (radicali, coppie radicaliche spin-correlate e tripletti). Il riconoscimento di tali specie ha consentito quindi di dedurre i processi fotofisici che avvengono nelle miscele. Infine, si è cercato di correlare i risultati degli studi svolti con i valori di efficienza fotovoltaica trovati in letteratura per questi materiali.