Novel Semiconductor Block Copolymers for Organic Electronic Devices: Synthesis, Properties and Applications

Titelangaben

Sommer, Michael:
Novel Semiconductor Block Copolymers for Organic Electronic Devices: Synthesis, Properties and Applications.
Bayreuth , 2009
( Dissertation, 2009 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Diese Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung von neuartigen, maßgeschneiderten Donor-Akzeptor (D-A) Blockcopolymeren mit elektronisch funktionellen Blöcken, sowie deren Anwendung in organischen Feldeffekttransistoren und organischen Solarzellen. Die hergestellten D-A Blockcopolymere können in zwei Klassen unterteilt werden: Blockcopolymere mit einem amorphen und einem kristallinen Block und Blockcopolymere mit zwei kristallinen Blöcken. Die Synthese dieser neuen Materialien verlangt die geschickte Kombination von klassischer organischer Chemie mit einer oder zwei Polymerisationsmethoden. Die Besonderheit solcher aufwendigen Blockcopolymere liegt in ihrer Fähigkeit zur Mikrophasenseparation. Die dadurch entstehenden Domänengrößen liegen im Bereich der Exzitonendiffusionslänge, wodurch D-A Blockcopolymere als äußerst vielversprechend für Ladungstrennung und Ladungstransport gelten. Die Selbstaggregation der D-A Blockcopolymere wird vom Zusammenspiel verschiedener Kräfte geleitet: Kristallisation eines oder zweier Blöcke und Mikrophasenseparation. Solche Materialien mit definierten Moleküleigenschaften sind bisher sehr wenig erforscht und ermöglichen es, die D-A Grenzfläche in dünnen Filmen präzise einzustellen. Um definierte Blockcopolymerarchitekturen herzustellen, wurden zwei verschiedene Polymerisationsmethoden mit lebendem Charakter verwendet, kombiniert und angepasst: Nitroxid-vermittelte radikalische Polymerisation (NMRP) und Grignard Metathese Polymerisation (GRIM). Die Grignard Metathese Polymerisation wurde erfolgreich optimiert und verwendet, um mehrere Poly(3-hexylthiophen)P3HT-Blöcke mit kontrolliertem Molekulargewicht und niedriger Polydispersität herzustellen. Weiterhin wurde eine einfache und zielgerichtete Eintopfreaktion entwickelt, um P3HT-Makroinitiatoren für die NMRP herzustellen. Ausgehend von diesen Makroinitiatoren wurden mehrere definierte Blockcopolymere mit P3HT und Perylen Bisimidacrylat PerAcr mit unterschiedlicher Komposition und unterschiedlichem Molekulargewicht synthetisiert. Die Besonderheit von P3HT-b-PPerAcr liegt in der kristallin-kristallinen Blockcopolymerarchitektur, wobei das erste Segment hauptkettenkristallin und das zweite Segment seitenkettenkristallin ist. Der kristallin-kristalline Charakter wurde mittels differentieller Wärmeflußkalorimetrie und Röntgenstreuung bestätigt, wobei eine Koexistenz von lamellaren P3HT- und eindimensionalen PPerAcr Stapeln festgestellt wurde. Die Koexistenz dieser Aggregate ist maßgeblich von der Komposition, dem Molekulargewicht, und der Vorbehandlung von P3HT-b-PPerAcr abhängig. Während thermisch vorbehandelte Proben eine verstärkte Ausbildung von kristallinen PPerAcr Domänen zeigen, fördert die Lösungsmitteldampfbehandlung die Aggregation von P3HT. Dieser Effekt wird übereinstimmend bei der Untersuchung der optischen, thermischen, morphologischen und elektrischen Eigenschaften gefunden. Die Herstellung von organischen Solarzellen mit P3HT-b-PPerAcr als aktiver Schicht ergab einen Rekordwert der externen Quantenausbeute von 31 %, was für die beiden Komponenten P3HT und Perylenbisimid den höchsten gemessenen Wert darstellt.

Abstract in weiterer Sprache

This thesis is concerned with original work on the tailor-made synthesis, characterization and application of well-defined semiconductor donor-acceptor (D-A) block copolymers for organic field effect transistors and organic photovoltaics. Two types of D-A block copolymer architectures are presented: Amorphous-crystalline block copolymers and crystalline-crystalline block copolymers. The materials developed are complex in terms of their synthesis, since organic methods have to be combined with one or more polymerization methods. The importance of D-A block copolymers is illustrated by their capability to microphase separate into domain sizes commensurate to the exciton diffusion length, which makes such materials highly suitable for efficient charge separation and charge transport. The self-assembling behaviour is governed by the interplay of different forces: Crystallization of one or more blocks and microphase separation. Currently such materials enjoy wide interest in academics, as they enable precise interface tuning of electro-optically active chromophores. Two controlled polymerization methods were employed, combined and adapted in order to create well-defined, multi-functional, and innovative block copolymer structures: Nitroxide Mediated Controlled Radical Polymerization (NMRP) and Grignard Metathese Polymerization (GRIM). The latter method was successfully optimized in order to gain excellent control over molecular weight and polydispersity of poly(3-hexylthiophene)P3HT. For the purpose of preparing P3HT macroinitiators for NMRP in a straightforward fashion, a simple one-pot procedure was developed. The resulting narrow-distributed, main-chain conjugated P3HT macroinitiators were successfully employed for the NMRP of the acceptor monomer perylene bisimide acrylat PerAcr. All novel materials P3HT-b-PPerAcr were extensively characterized by standard, optical, electrical and microscopic methods. The double-crystalline nature of P3HT-b-PPerAcr is verified by differential scanning calorimetry and X-ray diffraction, revealing lamellar P3HT regions among stacks of PPerAcr. The coexistence of these two different types of crystalline domains is strikingly influenced by the relative segment lengths, the overall molecular weights, and the annealing conditions. While thermal annealing promotes the crystallinity of PPerAcr, chloroform vapor annealing gives rise to rearrangement of P3HT. These effects are observed consistently in the optical, thermal, morphological, and electrical properties of P3HT-b-PPerAcr. The construction of organic photovoltaic devices revealed outstanding external quantum efficiencies (EQE) of 31 % for a device made of a high molecular weight P3HT-b-PPerAcr with balanced composition.