Photophysical processes and molecular ordering in organic materials for third generation photovoltaics studied by EPR spectroscopy

Il consumo mondiale di energia ha un tasso medio di crescita del 2.1 % all’anno, trainato dalla crescita economica di molti Paesi asiatici, dell’Europa e del Canada. Il conseguente depauperamento delle risorse di combustibili fossili e il più stringente bisogno di proteggere l’ambiente stanno facendo della sfida delle energie rinnovabili una delle più urgenti sfide che l’umanità deve affrontare. L’energia solare è tra i migliori candidati a svolgere il ruolo di punta nella rivoluzione energetica, essendo una fonte di energia pulita, infinita e ben distribuita nel pianeta. Per questo motivo le tecnologie fotovoltaiche per la produzione di energia elettrica stanno acquistando crescente popolarità. Sebbene le celle solari a base di Silicio dominino il mercato del fotovoltaico, materiali organici e ibridi sono fonte di crescente interesse grazie alle loro peculiari proprietà, come la flessibilità, la leggerezza e la trasparenza, il basso costo, che ci si aspetta possano fare la differenza nell’affermazione del fotovoltaico. Fino ad ora questi materiali non hanno superato il rendimento dei materiali convenzionali a base di Silicio, stimolando la ricerca scientifica verso lo sviluppo di nuovi materiali e lo studio dei meccanismi fotofisici che governano il comportamento fotovoltaico dei semiconduttori organici e ibridi. In questa tesi, una serie di nuovi materiali fotoattivi, organici e ibridi, è stata studiata utilizzando la spettroscopia di Risonanza Paramagnetica Elettronica (EPR). Tale tecnica, combinata con la fotoeccitazione, permette di caratterizzare i processi fotoindotti che portano alla formazione di stati paramagnetici come radicali e stati di tripletto. Come mostrato nella tesi, la tecnica EPR può essere anche utilizzata per ottenere informazioni circa l’ordine molecolare nei materiali, che è noto essere strettamente collegato alle loro proprietà di trasporto di carica. I polimeri coniugati sono noti per le loro proprietà di semiconduttori e le loro miscele con derivati fullereneci - forti electron-accettori - sono tra i sistemi fotovoltaici organici più efficienti. Copolimeri alternanti composti da unità elettron-accettrici e donatrici sono stati introdotti per aumentare l’efficienza di assorbimento dello spettro solare. Rispetto ai classici omopolimeri, questi mostrano solitamente una minore cristallinità dei film depositati. Pertanto, tecniche diffrattometriche si rivelano spesso inadeguate per caratterizzarne l’ordine molecolare. In questa tesi l’EPR viene utilizzato per analizzare l’ordine orientazionale in due polimeri rappresentativi di questa classe, mostrando che un grado consistente di orientazione preferenziale è presente nei film ottenuti con due diverse tecniche di deposizione. Materiali fullerene-free per le celle solari polimeriche sono stati recentemente introdotti per superare alcuni degli svantaggi degli accettori fullerenici, come il limitato assorbimento della luce solare e la difficoltà nel regolare il bandgap e le proprietà elettroniche. In questo conteso, abbiamo studiato due blend costituiti da polimeri elettron-accettori e donatori al fine di investigarne le proprietà e di compararle a quelle dei convenzionali blend di polimeri donatori con derivati fullerenici, dimostrando che essi eliminano la ricombinazione di cariche a formare stati di tripletto, meccanismo noto come fonte di perdita di efficienza nei materiali contenti fullereni. Inoltre, i film polimerici mostrano un elevato grado di ordine orientazionale e un’efficiente interazione tra le fasi di donatore e di accettore che li rendono promettenti alternative ai blend di polimero e fullerene. Un nanoibrido composto da grafene ossido ridotto e molecole di trifenilammina legati covalentemente, è stato studiato come potenziale colorante per la titania in celle solari sensibilizzate a colorante, capace di migliorare la conducibilità e la stabilità del sistema. L’EPR ha mostrato che un efficiente trasferimento elettronico fotoindotto avviene tra l’ibrido e il semiconduttore, aprendo la strada all’applicazione di una nuova classe di coloranti. Infine, la fotoattività di un materiale supramolecolare, un gel composto da piccole molecole di donatore e accettore che autoassemblano, è stata studiata. In questo caso l’EPR ha permesso di verificare un efficiente trasporto di carica attraverso le strutture supramolecolari, suggerendo interessanti proprietà semiconduttive del materiale. I risultati di questa tesi dimostrano la rilevanza dell’EPR per l’indagine su aspetti funzionali e morfologici di materiali fotovoltaici e forniscono una caratterizzazione della fotofisica di nuovi sistemi che potrebbero essere ulteriormente esplorati per apportare progressi sostanziali nel campo del fotovoltaico organico e ibrido.