Sustainable Donor and Acceptor Components for Organic Photovoltaic Cells

Commercially available solar cells are devices constituted by light absorbing inorganic materials (crystalline or amorphous silicon doped so to generate a pn junction) interposed between two electrodes. Several drawbacks such as materials availability, efficiencies, durability, and life cycle constraints still limit their application. Emerging technologies for the production of solar energy are promising due to favourable trade-off between power conversion efficiency (PCE) and production costs. In the past few years, a novel class of photovoltaic devices called organic photovoltaics have emerged; among this class, bulk heterojunction solar cells (BHJs) stood up for efficiency, flexibility and integrability characteristics. Several efforts have been put in the synthesis and development of novel donor and acceptors materials, firstly with the discovery of high-performance donor polymers and secondly with the discovery of non fullerene acceptors (NFA). In the present PhD Thesis, several strategies are presented in order to develop novel donor as well as acceptors materials through innovative syntheses and approaches that can be considered “sustainable”. They combine the use of cascade processes, capable of dramatically reducing the E factor of the monomers and polymers, and the use of methodologies which do not release toxic byproducts, which would limit industrial scalability of the processes. Morphology, stability and photophysical properties of the novel organic materials in the devices are presented and discussed.

I dispositivi fotovoltaici commerciali sono dispostivi costituiti da un materiale foto assorbente (generalmente silicio amorfo o cristallino dopato al fine di generare a p-n giunzione) interposto tra due elettrodi. Diversi aspetti negativi quali disponibilità di materiali, efficienza, durabilità e ciclo di vita ancora limitano la loro applicabilità. Tecnologie emergenti per la produzione di energia solare sono favorevoli grazie al compromesso tra l’efficienza di conversione di potenza (PCE) e i costi di produzione. Negli ultimi anni, una nuova classe di dispostivi fotovoltaici chiamati dispostivi fotovoltaici organici è emersa; tra questa classe, le celle fotovoltaiche bulk (BHJs) sono risultate le migliori per efficienza e caratteristiche d’integrabilità. Molto lavoro è stato fatto per la sintesi e lo sviluppo di nuovi materiali donatori e accettori, prima con lo sviluppo dei polimeri donatori ad alte prestazioni ed in secondo luogo con lo sviluppo degli accettori non fullerenici (NFAs). In questa presente tesi di dottorato, diverse strategie sono presentate al fine di sviluppare materiali donatori così come accettori attraverso sintesi ed approcci che possono essere considerati “sostenibili”. Combinando l’uso di processi a cascata, capaci di ridurre drammaticamente l’E factor di monomeri e polimeri, e l’uso di metodologie che non rilasciano sottoprodotti tossici, che limiterebbero la scalabilità industriale del processo. Proprietà morfologiche, di stabilità, e foto fisiche dei nuovi materiali organici nei dispostivi sono presentate e discusse.