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Novel Semiconductor Block Copolymers for Organic Electronic Devices: Synthesis, Properties and Applications
(2009)
- 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.
