Peryleenidi-imidi–fullereenidyadin synteesi ja toiminta orgaanisessa aurinkokennossa
Lehtonen, Elina (2013)
Lehtonen, Elina
2013
Matemaattisten aineiden opettajakoulutus
Luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2013-02-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201302131052
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201302131052
Tiivistelmä
Diplomityö on osa Tampereen teknillisen yliopiston Kemian ja biotekniikanlaitoksen supramolekulaarisen valokemian tutkimusryhmän perustutkimusta, joka tähtää aurinkokennosovelluksiin. Diplomityön tavoite oli nostaa orgaanisen aurinkokennon hyötysuhdetta ja tutkia kennon toimintaperiaatetta. Työssä tutkittiin peryleenidi-imidi–fullereenidyadin toimintaa osana aurinkokennon valoaktiivista kerrosta.
Peryleenidi-imidi–fullereenidyadi, SB-1-PDI-C60, on tutkimusryhmässä kehitetyn synteesin päätuote ja korkean saantonsa vuoksi potentiaalinen aurinkokennosovelluksiin. Synteesin sivutuotteilla oli jo aiemmin havaittu valoindusoitu varauksen siirto. Työssä syntetisoitiin dyadia ja molekyylissä tapahtuvan valokemiallisen reaktion kulku karakterisoitiin aikaerotteisella spektroskopialla.
Diplomityössä tehtiin järjestelmällisiä kokeita orgaanisilla aurinkokennoilla, joiden valoaktiivinen kerros valmistettiin P3HT:PCBM-seoksena. Dyadia käytettiin aurinkokennon valoaktiivisessa kerroksessa sekä seosaineena että sillä korvattiin selektiivisesti donori- ja akseptorimolekyylejä.
Korvauskokeiden tulos oli selvä: fullereenijohdannaisen tai johdepolymeerin korvaaminen dyadilla kokonaan tai osittain ei nosta aurinkokennon hyötysuhdetta. Dyadi nostaa orgaanisen aurinkokennon hyötysuhdetta seostettuna valoaktiiviseen kerrokseen vain erittäin pienellä moolisuhteella, mikä johtunee tehostuneesta varauksen siirrosta. Tätä suuremmilla seostusmoolisuhteilla aurinkokenno käyttäytyy kuten vertailurakenne tai antaa sitä heikomman tehon. Tämä johtunee orgaanisessa kerroksessa tapahtuvasta molekyylien yhteen kerääntymisestä.
Dyadin seostamisen avulla nostettiin tutkitun kennorakenteen hyötysuhdetta. Tehokkuuden nousu on kuitenkin niin vähäistä, ettei dyadilla ole potentiaalia aurinkokennosovelluksiin tässä käyttötarkoituksessa. Koska dyadia kohtuullisen helppoa ja nopeaa syntetisoida suurilla saannoilla, oli tieto molekyylin soveltuvuudesta orgaanisiin aurinkokennoihin erittäin tärkeä. Aurinkokennotutkimus tarvitsee jatkuvasti uusia molekyylejä, jotta orgaaniset aurinkokennot voivat kilpailla epäorgaanisten aurinkokennojen hyötysuhteiden kanssa. This Master of Science Thesis is part of the research of the Supramolecular photochemistry group at Tampere University of technology, which aims to solar cell applications. The aim of this thesis is to increase the power conversion efficiency of an organic solar cell and to study the basic function of the cell. In this Thesis the function of perylene diimide – fullerene dyad was studied as part of organic bulk heterojunction.
The perylene diimide – fullerene dyad, SB-1-PDI-C60, is the major product of the synthesis developed in Tampere University of technology, thus easy to prepare in high yields and potential to use in solar cell applications. Electron transfer reaction was characterized in the minor products of the synthesis beforehand. The photochemical charge transfer reaction in the dyad was characterized with time resolved spectroscopy.
Main part of the thesis consist of systematic experiments with the organic P3HT:PCBM bulk heterojunction. SB-1-PDI-C60 dyad was used both as a dopant and, alike to replace the donor or acceptor molecule partly and totally.
The results of the replacement experiments were clear: the replacing of PCBM or P3HT does not improve the power conversion efficiency of the solar cell. Thus the dyad can’t be used as a replacement of the donor nor the acceptor in the studied structure.
When SB-1-PDI-C60 dyad was used as a dopant in organic bulk heterojunction, it increased the power conversion efficiency of the cell with very small concentration. The increase of efficiency is believed to be due more efficient electron transfer. With higher molar ratios the cell worked similar or worse comparing to the reference. The decease of efficiency is believed to be due the aggregation in the organic layer.
When the dyad is used as a dopant in organic bulk heterojunction, the efficiency of the cell increased. Thus the aim of the thesis was achieved. However the increase of the efficiency was so minor that it excludes the possibility of the dyad to be used in solar cell applications in the tested purpose. Regardless this information was very crucial because the dyad is easy to synthetize with high yield. The organic solar cell research continuously needs new molecules in order to compete with inorganic solar cells.
Peryleenidi-imidi–fullereenidyadi, SB-1-PDI-C60, on tutkimusryhmässä kehitetyn synteesin päätuote ja korkean saantonsa vuoksi potentiaalinen aurinkokennosovelluksiin. Synteesin sivutuotteilla oli jo aiemmin havaittu valoindusoitu varauksen siirto. Työssä syntetisoitiin dyadia ja molekyylissä tapahtuvan valokemiallisen reaktion kulku karakterisoitiin aikaerotteisella spektroskopialla.
Diplomityössä tehtiin järjestelmällisiä kokeita orgaanisilla aurinkokennoilla, joiden valoaktiivinen kerros valmistettiin P3HT:PCBM-seoksena. Dyadia käytettiin aurinkokennon valoaktiivisessa kerroksessa sekä seosaineena että sillä korvattiin selektiivisesti donori- ja akseptorimolekyylejä.
Korvauskokeiden tulos oli selvä: fullereenijohdannaisen tai johdepolymeerin korvaaminen dyadilla kokonaan tai osittain ei nosta aurinkokennon hyötysuhdetta. Dyadi nostaa orgaanisen aurinkokennon hyötysuhdetta seostettuna valoaktiiviseen kerrokseen vain erittäin pienellä moolisuhteella, mikä johtunee tehostuneesta varauksen siirrosta. Tätä suuremmilla seostusmoolisuhteilla aurinkokenno käyttäytyy kuten vertailurakenne tai antaa sitä heikomman tehon. Tämä johtunee orgaanisessa kerroksessa tapahtuvasta molekyylien yhteen kerääntymisestä.
Dyadin seostamisen avulla nostettiin tutkitun kennorakenteen hyötysuhdetta. Tehokkuuden nousu on kuitenkin niin vähäistä, ettei dyadilla ole potentiaalia aurinkokennosovelluksiin tässä käyttötarkoituksessa. Koska dyadia kohtuullisen helppoa ja nopeaa syntetisoida suurilla saannoilla, oli tieto molekyylin soveltuvuudesta orgaanisiin aurinkokennoihin erittäin tärkeä. Aurinkokennotutkimus tarvitsee jatkuvasti uusia molekyylejä, jotta orgaaniset aurinkokennot voivat kilpailla epäorgaanisten aurinkokennojen hyötysuhteiden kanssa.
The perylene diimide – fullerene dyad, SB-1-PDI-C60, is the major product of the synthesis developed in Tampere University of technology, thus easy to prepare in high yields and potential to use in solar cell applications. Electron transfer reaction was characterized in the minor products of the synthesis beforehand. The photochemical charge transfer reaction in the dyad was characterized with time resolved spectroscopy.
Main part of the thesis consist of systematic experiments with the organic P3HT:PCBM bulk heterojunction. SB-1-PDI-C60 dyad was used both as a dopant and, alike to replace the donor or acceptor molecule partly and totally.
The results of the replacement experiments were clear: the replacing of PCBM or P3HT does not improve the power conversion efficiency of the solar cell. Thus the dyad can’t be used as a replacement of the donor nor the acceptor in the studied structure.
When SB-1-PDI-C60 dyad was used as a dopant in organic bulk heterojunction, it increased the power conversion efficiency of the cell with very small concentration. The increase of efficiency is believed to be due more efficient electron transfer. With higher molar ratios the cell worked similar or worse comparing to the reference. The decease of efficiency is believed to be due the aggregation in the organic layer.
When the dyad is used as a dopant in organic bulk heterojunction, the efficiency of the cell increased. Thus the aim of the thesis was achieved. However the increase of the efficiency was so minor that it excludes the possibility of the dyad to be used in solar cell applications in the tested purpose. Regardless this information was very crucial because the dyad is easy to synthetize with high yield. The organic solar cell research continuously needs new molecules in order to compete with inorganic solar cells.