Design and synthesis of organic p-type semiconductorstoward efficient Perovskite Solar Cells

Resumen

La presente tesis doctoral se basa en el diseño, síntesis y caracterización de moléculas orgánicas pequeñas adecuadamente funcionalizadas para su empleo como materiales transportadores de huecos (HTMs) en células solares de perovskita (PSCs). Las células solares de perovskita se han convertido en una de las tecnologías más prometedoras en la búsqueda de alternativas limpias a los combustibles fósiles para alcanzar una sociedad sostenible aprovechando la energía solar ilimitada. En pocos años de investigación, PSCs han alcanzado eficiencias prometedoras por encima del 25% que son comparables a las células solares comerciales basadas en silicio. El diseño de nuevos HTMs está enfocado en competir en términos de eficiencia con los materiales de referencia en este campo como son la molécula orgánica llamada spiro-OMeTAD o el polímero PTAA. Estas moléculas son fundamentales para la obtención de altas eficiencias, pero debido a su elevado precio comercial no podrán aplicarse a gran escala. Con el fin de diseñar nuevas moléculas orgánicas pequeñas, se deben tener en cuenta distintos requisitos tales como una energía del HOMO adecuada, la solubilidad o alta conductividad y/o movilidad de huecos para alcanzar células solares de alta eficiencia, mediante rutas sintéticas asequibles para su futuro empleo en tecnologías de bajo coste. De esta manera, durante la tesis se han seguido distintas aproximaciones químicas para el diseño de nuevos HTMs. En primer lugar, se han estudiado moléculas basadas en núcleos aromáticos policíclicos ricos en calcogenuros como antratetratiofeno (ATT), dibenzoquinquetiofeno (DBQT) o benzotriselenofeno (BTSe) funcionalizados con unidades dadores de electrones de trifenilaminas. El empleo de estas moléculas como HTMs ha permitido la obtención de altas eficiencias en la conversión de luz en electricidad con valores por encima del 18% en células 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 utilización de moléculas basadas en núcleos de carácter espiránico o similar que incorporan calcogenuros en su estructura mediante unidades de fenoxazina, fenotiazina, xanteno o tioxanteno. En este caso, las moléculas basadas en fenoxazina y fenotiazina mostraron eficiencias elevadas en células solares de perovskita de arquitectura plana (alrededor del 18.5%) con una elevada estabilidad, superando así a la molécula de referencia spiro-OMeTAD. La tercera aproximación química 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 diseño 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 habían sido empleadas anteriormente como unidades centrales en la bibliografía. La utilización de estos nuevos HTMs en células solares mesoporosas de perovskita permitió la obtención de valores de eficiencia de hasta el 18.3%. Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio de moléculas con estructuras de nanografenos moleculares. En este tipo de sistemas se combinaron núcleos centrales sin planaridad como son el tetrafenileno (CoPh) y el ciclooctatetratiofeno (CoTh) con cuatro unidades de hexabenzocoroneno, que son consideradas el fragmento mínimo para la obtención de nanografenos. Como resultado, se sintetizaron dos nanografenos con estructuras 3D y se caracterizaron sus estructuras cristalinas y propiedades optoelectrónicas.