Caracterização e aplicação de cristais líquidos colunares em células solares orgânicas

Abstract

Células solares baseadas em materiais orgânicos constituem uma opção para reduzir o impacto ambiental e proporcionar versatilidade. Em aspectos tecnológicos elas oferecem a possibilidade de produção de dispositivos portáteis, com alta flexibilidade mecânica, baixo peso e baixo custo. Em termos de pesquisas em células solares orgânicas (OSCs - Organic Solar Cells, em inglês), a busca por materiais tipo-n (com caráter transportador de elétrons) é atualmente um dos principais focos no desenvolvimento destes dispositivos. Neste contexto destaca-se a busca por aceitadores não-fulerenos (NFAs - non-fullerene acceptors, em inglês) e materiais para atuar como camada interfacial do cátodo (CIL -do inglês Cathode Interlayer). Uma opção versátil de molécula pequena que pode atuar tanto como CIL quanto como NFA em células solares são os cristais líquidos colunares (CLCols), especialmente os derivados do centro aromático perileno diimida (PDI). A principal vantagem no uso de CLCols nestes dispositivos é a possibilidade de controlar a orientação molecular em relação à superfície/eletrodo através de estímulos externos, como temperatura, a fim de obter o transporte de carga na direção desejada. Neste trabalho aplicaremos um CLCol derivado do centro benzoperileno diimida como NFA junto ao polímero PFO-DBT como doador de elétrons. Os materiais apresentaram boa complementariedade espectral de absorção. A análise mesomórfica das misturas PFO-DBT:CLCol realizada através das técnicas de DSC, MOLP e DRX mostrou que os materiais apresentam boa miscibilidade. A influência do aditivo DIO (1,8-diiodooctano) nas propriedades dos filmes de PFO-DBT:CL também foi investigada. Para os filmes das misturas PFO-DBT:CL, um aumento na periodicidade do empacotamento molecular foi observado por DRX com a adição do DIO. Mudanças na morfologia observadas por DRX, MOLP e AFM indicaram uma possível separação de fase entre os materiais das misturas, ideal para aplicação em OSCs. O CLCol também foi estudado como CIL alinhável em OSCs. Os filmes na estrutura de dispositivo foram alinhados na orientação face-on. Os dispositivos com o CLCol alinhado como CIL apresentaram a melhor eficiência e o dispositivo com a CIL sem alinhamento exibiu a menor eficiência entre os dispositivos produzidos, evidenciando a influência do alinhamento molecular do CLCol no desempenho dos dispositivos.

Abstract: Organic material-based solar cells represent an option to reduce environmental impact and provide versatility. In terms of technology, they offer the possibility of producing portable devices with high mechanical flexibility, low weight, and low cost. Regarding research in organic solar cells (OSCs), the search for n-type materials (electron transporters) is currently one of the main focuses in the development of these devices. In this context, the search for non-fullerene acceptors (NFAs) and materials to act as the cathode interfacial layer (CIL) stands out. A versatile option of small molecules that can act both as CIL and NFA in solar cells are columnar liquid crystals (ColLC), especially those derived from the aromatic core perylene diimide (PDI). The main advantage of using ColLC in these devices is the ability to control the molecular orientation relative to the surface/electrode through external stimuli, such as temperature, to achieve charge transport in the desired direction. In this work, a ColLC derived from the benzoperylene diimide core will be applied as NFA with the PFO-DBT polymer as an electron donor. The materials showed good spectral absorption complementarity. The mesomorphic analysis of the PFO-DBT:ColLC mixtures, conducted using DSC, MOLP, and XRD techniques, showed that the materials have good miscibility. The influence of the additive DIO (1,8-diiodooctane) on the properties of the PFO-DBT:ColLC films, was also investigated. For the PFO-DBT:CL mixtures films, an increase in molecular packing periodicity was observed by XRD with the addition of DIO. Changes in morphology observed by XRD, MOLP, and AFM indicated a possible phase separation between the materials of the mixtures, ideal for application in OSCs. The ColLC was also studied as an alignable CIL in OSCs. The films in the device structure were aligned in the face-on orientation. The devices with the aligned ColLC as CIL showed the best efficiency, while the device with the non-aligned CIL exhibited the lowest efficiency among the produced devices, highlighting the influence of the molecular alignment of the ColLC on device performance.