Materiali polimerici per applicazioni fotovoltaiche: sintesi e caratterizzazione di polimeri conduttivi a base 3-esiltiofene

A partire dal 1977, quando l'esposizione a vapori di bromo ha incrementato di 8 ordini di grandezza la conducibilità elettrica di un campione di poliacetilene, la ricerca scientifica ha iniziato ad intravedere nei materiali polimerici non più sistemi unicamente ¿isolanti¿, ma una classe estremamente eterogenea di composti, anche in grado, in alcuni casi, di condurre elettricità. Da allora, i polimeri conduttivi hanno ricevuto un'attenzione sempre maggiore da parte di fisici, chimici e scienziati dei materiali dato il loro vasto campo di applicazioni (light-emitting diodes, ottica non lineare, sensoristica, transistor, ¿). In particolare, tra le numerose possibili strutture, i politiofeni hanno suscitato un particolare interesse data la loro attività redox, la possibilità di sfruttare il loro stato dopato oppure neutro e il controllo delle proprietà elettroniche ed elettrochimiche mediante una manipolazione sintetica del monomero. A questo proposito, l'inserimento di una catena alchilica sulla posizione β di un tiofene si è mostrato migliorare la solubilità del polimero finale, conducendo a sistemi facilmente processabili, stabili in condizioni ambientali e ancora elettroattivi. In questo lavoro di tesi, sono stati quindi studiati i requisiti strutturali necessari perché un sistema polimerico manifesti proprietà conduttive e le principali strategie che possono essere messe in atto per migliorare la mobilità di carica, diminuire il band-gap e assicurare una buona conducibilità al materiale. Tra queste, una delle metodologie maggiormente riconosciute è la sintesi di sistemi push-pull, realizzabili alternando unità elettron-accettrici e donatrici lungo la catena polimerica. Inoltre, nell'intento di inserire tali sistemi in un dispositivo fotovoltaico, è stato studiato il funzionamento delle celle solari a base perovskite, una delle tecnologie emergenti più promettenti. Esse, infatti, presentano un tasso di crescita in termini di efficienza che non conosce eguali nel settore. Si è approfondita l'architettura di questi dispositivi, con una particolare attenzione ai materiali trasportatori di lacune e ai criteri che guidano la loro scelta. L'utilizzo di materiali polimerici in questo contesto pare migliorare il tempo di vita della cella, assicurando una maggiore protezione dall'ossigeno e dall'umidità rispetto a molecole organiche di più piccole dimensioni. Alla luce di queste considerazioni, sono stati quindi sintetizzati copolimeri donatore-accettore a base 3-esiltiofenica-benzotiadiazolo mediante policondensazione di Kumada e reazione di Stille. La prima metodologia ha consentito di ottenere polimeri estremamente regioregolari (99%), estremamente performanti in cella (PCE = 14.9%). Dati gli ottimi risultati, si è impiegato in un secondo momento l'accoppiamento di Stille per diluire in maniera controllata l'unità di benzotiadiazolo in catena. Si è proceduto quindi ad una valutazione delle proprietà ottiche, termiche ed elettrochimiche riscontrando un trend interessante al variare della quantità dell'unità accettrice nel sistema polimerico.