Räumlich definierte Homo- und Blockcopolymer Nanokomposite

Titelangaben

Barelmann-Kahlbohm, Denise:
Räumlich definierte Homo- und Blockcopolymer Nanokomposite.
Bayreuth , 2015 . - XIII, 197 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Nanocomposites have been in the field of research since 20 years. The addition of additives to polymers can manipulate their properties, they can be optimized and intensified even at low volumes. In addition completly new properties can be introduced. When nanocrystals are used as additives the system is reffered to as polymer nanocomposite. Especially this combination opens a large field of systems with very specific properties. Förster et al. established a system to create stable polymer nanocomposites. In a crafting-to process specific ligands are covalently bound to nanocrystals to create polymerbrushes. The polymerbrushes are completly missible in the polymer matrix, as soon as they are covered with the same polymer as the matrix. As an example the addition of Tinoxid-nanocrystals leads to an UV-stabilized polymer. The spherical polymerbrushes enable the selective embedding of the nanocyrstals into an polymer matrix multiphase. The selectiv embedding within the composite opens a completly new field of research. This field will be a focus of research in this thesis. As an modelsystem microphase-separated blockcopolymer are very usefull. Blockcopolymers show self-assembly and highly ordered domains. This behaviour can be used to incoporate the nanocrystals into one of the matrices or boundary layer. To achive this the nanocrystal will be covered with the specific matrix polymer. The phenomena of self-assembly can be found in a variety of systems, an example can be found in the formation of lipid bilayers. In this thesis the selectiv embedding of the nanocrystals in triblockcopolymer polystyrene-polyisopren-polystryene (PS-PI-PS), with different polystyrene units was used as a model system. The polymer shows hexagonal packed cylindrical microdomains. Within this work the domains were embedded with different nanocrystals. The nanocrystals vari in diameter and the used polymeric ligand. When nanocrystals are introduced in a high volume fraction a well ordered packing can be found. Within this thesis a key issue was to prove the existence of an size exclusion effect. It was recognized that a certain domain size was required for the nanocrystals to be embedded. This result must be considered for applications of the system. An interesting application of these composites is the production of hybrid solar cells. A major challenge in the development of a hybrid solar cell is the optimization of charge transport. By carefully controlling the position of the nanoparticles within the composites an ideal charge transport can be achieved. For this application the semiconductor nanoparticles can be coated with a conductive polymer. First experiments with poly-3-hexyl-thiophene coated semiconductor nanoparticles were prepared and evaluated in this work. Furthermore, the nanoparticles and poly-3-hexylthiophene were used to prepare a simple two-layer hybrid solar cell. It was prepared via a floating process developed by Retsch et al.. This method was optimized for semiconductor nanoparticles and poly-3-hexylthiophenes. With this floating technique highly ordered ultrathin layers of the respective components can be produced. The np-interface is very small in this simple setting, the efficiency is limited. Nevertheless the components used in the solar cell can be tested for their effectiveness by this simple three-dimensional layer structure. In this thesis three different approaches have been investigated. An improved charge transport can be achieved via the ligand exchange. A direct contact between the semiconductor nanoparticles and the electrically conductive polymer can take place. In the second part, the orientation of the nanoparticles within a triblock will be investigated, carried out using of a model system. The two-layer solar cell is studied as a simple model using the given components in their functionality. All polymer films prepared were analyzed by X-ray small angle scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM). The ligand exchange was observed by dynamic light scattering (DLS) and TEM measurements. The prepared films were investigated by atomic force microscopy measurements (AFM). First current-voltage characteristics for simple two-layer solar cells were recorded.

Abstract in weiterer Sprache

Nanokomposite sind seit über 20 Jahren ein großes Thema in der Forschung. Durch die Zugabe von Additiven zu Polymeren werden ihre Eigenschaften schon bei geringen Mengen stark beeinflusst. Die vorhandenen Eigenschaften können sich dabei verstärken und optimieren. Es können aber auch ganz neue Eigenschaften eingeführt werden. Sobald Nanopartikel als Additiv verwendet werden, spricht man von Nanokompositen. Gerade diese Kombination ermöglicht den Aufbau sehr spezifischer Eigenschaften. Förster et al. konnte ein sehr erfolgreiches System zur Herstellung stabiler Nanokomposite etablieren. Die hergestellten Nanopartikelbürsten umgehen die ausgeprägte Aggregationstendenz der Nanopartikel in einer Polymermatrix. Die Nanopartikel sind vollständig mischbar mit der Matrix, sobald sie mit dem Matrixpolymer beschichtet sind. Das ermöglicht die Herstellung von Polymeren, die z.B. durch die Zugabe von Zinkoxid-Nanopartikeln UV-stabil sind. Diese hergestellten sphärischen Polymerbürsten ermöglichen auch die gezielte Einbettung der Nanopartikel in mehrphasige Polymermatrices. Die gezielte Orientierung der Nanopartikel innerhalb des Komposits ist eine Herausforderung, die weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. In dieser Arbeit soll das experimentell untersucht werden. Eine zur Darstellung geeignete Struktur sind mikrophasenseparierte Blockcopolymere. Blockcopolymere zeigen Selbstorganisation und können geordnete Strukturen bilden. Dieses Verhalten soll genutzt werden. Die Nanopartikel können dann gezielt in die einzelnen Matricen oder in ihre Grenzschicht eingelagert werden. Dazu werden sie mit dem passenden Matrixpolymer oder sogar zwei Matrixpolymeren beschichtet. Selbstorganisation findet von Natur aus in vielen Systemen durch interne Prozesse statt. Das sogenannte self-assembly erzeugt spontan definierte Strukturen. Dieses Phänomen findet man z.B. bei der Mizellenbildung und auch in Flüssigkristallen. Erste Versuche zur gezielten Einbettung der Nanopartikel wurden mit dem Triblockcopolymer Polystyrol-Polyisopren-Polystyrol (PS-PI-PS) durchgeführt. Es wurden Triblöcke mit unterschiedlich großem Polystyrol Anteil verwendet. Sie zeigen in Phase eine zylindrische Mikrodomänen Struktur. Die Domänen werden im Versuchsverlauf mit unterschiedlichen Nanopartikeln beladen. Die verwendeten Additive sollen sowohl in ihrem Durchmesser als auch in ihrer Beschichtung variieren. Die Nanopartikel werden in einem hohen Befüllungsgrad eingeführt, so dass sie auch eine geordnete Überstruktur bilden. Ein entscheidendes Thema war, die Existenz eines Größen-ausschlusseffektes nachzuweisen. Es wurde erkannt, dass erst ab einer bestimmten Domänengröße Nanopartikel in das System eingeführt werden. Diese Erkenntnis muss für Anwendungen des Systems berücksichtigt werden. Eine interessante Anwendung dieser Komposite ist die Herstellung von Hybridsolarzellen. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung einer Hybridsolarzelle ist die Optimierung des Ladungstransports. Durch die gezielte Steuerung der Lage der Nanopartikel innerhalb des Komposites kann ein idealer Ladungstransport ermöglicht werden. Die Halbleiter Nanopartikel werden in diesem Fall mit einem leitfähigen Polymer beschichtet. Erste Versuche mit Poly-3-Hexylthiophen beschichteten Halbleiternanopartikeln wurden in dieser Arbeit durchgeführt und bewertet. Daneben wurden die hergestellten Nanopartikel und Poly-3-hexyl-thiophene verwendet, um eine einfache Zweischicht-Hybridsolarzelle zu präparieren. Sie wurde mittels einer von Retsch et al entwickelten Methode durch einen Floating-Prozess hergestellt. Diese Methode wurde für Halbleiter Nanopartikel und Poly-3-Hexylthiophene optimiert. Durch diese floating Technik können hoch geordnete ultradünne Schichten der jeweiligen Komponenten hergestellt werden. Die np-Grenzfläche ist in diesem einfachen Aufbau nur sehr klein, wodurch die Effizienz stark begrenzt ist. Trotzdem können durch diesen dreidimensionalen Schichtaufbau die verwendeten Komponenten der Solarzelle auf ihre Effektivität getestet werden. In dieser Arbeit wurden drei unterschiedliche Ansätze untersucht. Es soll ein verbesserter Ladungstransport über den Ligandenaustausch erreicht werden, wodurch ein direkter Kontakt zwischen den Halbleiternanopartikeln und dem elektrisch leitfähigen Polymer stattfinden kann. In einem weiteren Ansatz soll die Orientierung der Nanopartikel innerhalb eines Triblockes untersucht werden. Das wird mit Hilfe eines Modellsystems durchgeführt. Die Zweischichtsolarzelle wird als einfaches Modell unter Verwendung der gegebenen Komponenten in ihrer Funktionalität untersucht. Alle hergestellten Polymerfilme wurden mittels Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) analysiert. Der Ligandenaustausch wurde mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) und TEM Messungen beobachtet. Alle hergestellten Dünnschichten wurden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) Messungen untersucht. Es wurden erste Strom-Spannungs-Kennlinien für einfache Zweischichtsolarzellen aufgenommen.