Design and synthesis of organic p-type semiconductors: toward efficient Perovskite Solar Cells (2020)

La presente tesis doctoral se basa en el diseno, sintesis y caracterizacion de moleculas organicas pequenas adecuadamente funcionalizadas para su empleo como materiales transportadores de huecos (HTMs) en celulas solares de perovskita (PSCs). Las celulas solares de perovskita se han convertido en una de las tecnologias mas prometedoras en la busqueda de alternativas limpias a los combustibles fosiles para alcanzar una sociedad sostenible aprovechando la energia solar ilimitada. En pocos anos de investigacion, PSCs han alcanzado eficiencias prometedoras por encima del 25% que son comparables a las celulas solares comerciales basadas en silicio. El diseno de nuevos HTMs esta enfocado en competir en terminos de eficiencia con los materiales de referencia en este campo como son la molecula organica llamada spiro-OMeTAD o el polimero PTAA. Estas moleculas son fundamentales para la obtencion de altas eficiencias, pero debido a su elevado precio comercial no podran aplicarse a gran escala. Con el fin de disenar nuevas moleculas organicas pequenas, se deben tener en cuenta distintos requisitos tales como una energia del HOMO adecuada, la solubilidad o alta conductividad y/o movilidad de huecos para alcanzar celulas solares de alta eficiencia, mediante rutas sinteticas asequibles para su futuro empleo en tecnologias de bajo coste. De esta manera, durante la tesis se han seguido distintas aproximaciones quimicas para el diseno de nuevos HTMs. En primer lugar, se han estudiado moleculas basadas en nucleos aromaticos policiclicos ricos en calcogenuros como antratetratiofeno (ATT), dibenzoquinquetiofeno (DBQT) o benzotriselenofeno (BTSe) funcionalizados con unidades dadores de electrones de trifenilaminas. El empleo de estas moleculas como HTMs ha permitido la obtencion de altas eficiencias en la conversion de luz en electricidad con valores por encima del 18% en celulas solares mesoporosas de perovskita. Los valores de eficiencia obtenidos fueron similares o incluso superiores a los mostrados por el material de referencia (spiro-OMeTAD). Otra de las aproximaciones utilizadas incluye la utilizacion de moleculas basadas en nucleos de caracter espiranico o similar que incorporan calcogenuros en su estructura mediante unidades de fenoxazina, fenotiazina, xanteno o tioxanteno. En este caso, las moleculas basadas en fenoxazina y fenotiazina mostraron eficiencias elevadas en celulas solares de perovskita de arquitectura plana (alrededor del 18.5%) con una elevada estabilidad, superando asi a la molecula de referencia spiro-OMeTAD. La tercera aproximacion quimica utilizada en esta tesis doctoral incluye el uso de unidades de triazatruxeno (TAT) como unidades dadoras de electrones conectadas mediante distintos puentes pi-conjugados basados en unidades de 3,4-etilendioxitiofeno (EDOT). La novedad en el diseno de estos nuevos HTMs con una estructura de tipo pesa radica en el empleo de las unidades de TAT en los extremos de la estructura como sistemas dadores de electrones, ya que las unidades de TAT habian sido empleadas anteriormente como unidades centrales en la bibliografia. La utilizacion de estos nuevos HTMs en celulas solares mesoporosas de perovskita permitio la obtencion de valores de eficiencia de hasta el 18.3%. Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio de moleculas con estructuras de nanografenos moleculares. En este tipo de sistemas se combinaron nucleos centrales sin planaridad como son el tetrafenileno (CoPh) y el ciclooctatetratiofeno (CoTh) con cuatro unidades de hexabenzocoroneno, que son consideradas el fragmento minimo para la obtencion de nanografenos. Como resultado, se sintetizaron dos nanografenos con estructuras 3D y se caracterizaron sus estructuras cristalinas y propiedades optoelectronicas.