Υπολογιστική μελέτη φωτοσυλλεκτικών υλικών για εφαρμογές σε διατάξεις οργανικών φωτοβολταϊκών
Authors: Τράπαλης Χαράλαμπος 
Published: September 2021

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η υπολογιστική διερεύνηση των μορφολογικών και δομικών χαρακτηριστικών συνόλου μορίων που χρησιμοποιούνται ως ενεργό υλικό σε οργανικά φωτοβολταϊκά. Σε μία στοιχειώδη περιγραφή τα οργανικά φωτοβολταϊκά αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια και ανάμεσά τους περιέχεται το ενεργό υλικό. Το ενεργό υλικό περιέχει ένα οργανικό μόριο ως δότη ηλεκτρονίων και ένα μόριο ως δέκτη ηλεκτρονίων. Το φως που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο του δότη προς το χαμηλότερο μη κατειλημμένο μοριακό τροχιακό και σε συνδυασμό με την οπή που δημιουργείται αποτελούν ένα εξιτόνιο. Το εξιτόνιο διαχέεται στο ενεργό υλικό και όταν βρεθεί κοντά σε μόριο δότη ηλεκτρονίων διαχωρίζεται, με το ηλεκτρόνιο να κατευθύνεται μέσω του δέκτη προς το ένα ηλεκτρόδιο και την οπή προς το άλλο. Η απόδοση της διαδικασίας εξαρτάται από το ενεργειακό χάσμα μεταξύ του δότη και του δέκτη ηλεκτρονίων, το μήκος διάχυσης των εξιτονίων, την μορφολογία των δειγμάτων και την παρουσία πρόσθετων ή ακαθαρσιών. Με στόχο να βελτιωθεί η απόδοση νέα μόρια με διαφορετική δομή, σε διαφορικές αναλογίες δοκιμάζονται συνεχώς για να επιτευχθούν ευνοϊκότερες μορφολογίες. Επιπλέον, νάνοσωματίδια μετάλλων χρησιμοποιούνται για να ενισχύσουν την απόδοση μέσω του φαινομένου εντοπισμένου συντονισμού επιφανειακού πλασμονίου (Localized Surface Plasmon Resonance - LSPR). Τα μείγματα αυτά είναι άμορφα και οι συνήθεις μέθοδοι μικροσκοπίας είναι δύσκολο να δώσουν πληροφορίες σχετικά με την μορφολογία σε μοριακό επίπεδο. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσει δύο μεθόδους για την παραγωγή παραμέτρων: (α) δίεδρων γωνιών των τετραμερών και των οκταμερών του θειφαινίου και του 3-εξυλ-θειοφαινίου (TH4, TH8, 3HT4, 3HT8) και (β) της αλληλεπίδρασης οργανικών μορίων με την επιφάνεια μετάλλου. Ως επιφάνεια μετάλλου επιλέχθηκε η επιφάνεια FCC (111) του αργύρου ενώ αναπτύχθηκε σειρά υπολογιστικών μεθόδων για την ανάμειξη μορίων και την τοποθέτηση τους πάνω σε επιφάνειες. Οι μέθοδοι αυτοί χρησιμοποιήθηκαν για την διερεύνηση τριών οργανικών μορίων (α) του οκταμερους του 3-εξυλ-θειοφαινίου (3-hexylthiophene - 3HT8) ως μοντέλο για πολυ-3-εξυλ-θειοφαίνιο (poly(3-hexyl-thiophene) - P3HT) που είναι δότης ηλεκτρονίων και του (β) φαινλυλ-C61-βουτυλικό οξύ μεθυλεστέρας (PCBM) και (γ) τριών ισομερών του δις ινδένιου C70 (Indene C70 Bis-Adduct - ICBA) που χρησιμοποιούνται ως δέκτες. Η διερεύνηση των 3HT8 και PCBM πάνω στην επιφάνεια αργύρου ανέδειξε πέντε σημαντικά ευρήματα για την αλληλεπίδραση των μορίων μεταξύ τους. Η αλληλεπίδραση του 3HT8 με την επιφάνεια του αργύρου αποδείχθηκε έντονη και ισχυρότερη από την αλληλεπίδραση του PCBM με την ίδια επιφάνεια. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων 3HT8 αποδείχθηκε ασθενής. Η αλληλεπίδραση του PCBM με την επιφάνεια ήταν ισχυρή και σχεδόν ισότιμη της αλληλεπίδρασης με άλλα μόρια PCBM. Η αλληλεπίδραση του PCBM με τα υπόλοιπα μόρια PCBM ήταν ισχυρή. Διαπιστώθηκε ότι από όλες τις κατανομές των οξυγόνων στην αλυσίδα του PCBM υπάρχουν δύο προτιμητέες αποστάσεις περί τα 4 Å και 12 Å ανεξαρτήτως αρχικής μεθόδου τοποθέτησης. Η πρώτη απόσταση αντιστοιχεί σε διαμορφώσεις όπου η αλυσίδα βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια του αργύρου ενώ η δεύτερη αντιστοιχεί σε διαμορφώσεις του PCBM όπου η αλυσίδα έχει απομακρυνθεί από την επιφάνεια ώστε να τοποθετηθούν περισσότερα μόρια κοντά σε αυτήν. Τέλος έγινε χαρακτηρισμός μειγμάτων των ισομερών του ICBA. Η μορφολογία τους προσδιορίστηκε ως άμορφο υλικό ενώ οι διαφορές που παρατηρούνται πειραματικά δεν αποδίδονται σε διαφορές πακεταρίσματος μεταξύ των διαφορετικών ισομερών.