Low-Molecular Weight Semiconductors for Organic and Perovskite Solar Cells

Abstract

Actualment, les fonts d'energia renovables estan atraient molta atenció degut a l'impacte negatiu que els combustibles fòssils estan causant al planeta. Les tecnologies basades en les cel·les fotovoltaiques són una alternativa sostenible per cobrir la demanda energètica mundial. El principal objectiu d'aquest treball és el disseny i la síntesis de noves molècules per tal de reemplaçar els polímers habitualment utilitzats com a molècules captadores de llum en cel·les solars orgàniques i el spiro-OMeTAD usat com a transportador de buits (HTM per les sigles en anglès "hole transporting material") en dispositius solars de perovskita. D'una banda, els polímers són coneguts per ser bons transportadors de buits, posseir una elevada solubilitat i una bona habilitat per a la formació de capes, però entre els diferents lots existeix una baixa reproductibilitat degut a la seva síntesi complexa. D'altra banda, el spiro-OMeTAD és la molècula que millor reproductibilitat i eficiència presenta en cel·les solars de perovskita. No obstant això, la seva síntesi complexa i d’alt cost impedeix la possibilitat d'escalat a nivell industrial. Per tal de solucionar aquests problemes, aquesta tesi s'ha enfocat en el disseny, síntesi i caracterització d'un conjunt de molècules petites de baix pes molecular per a la seva aplicació en aquests dispositius.

Actualmente, las fuentes de energía renovables están atrayendo mucha atención debido al impacto negativo que los combustibles fósiles están causando al planeta. Las tecnologías basadas en las celdas fotovoltaicas son una alternativa sostenible para cubrir la demanda energética mundial. El principal objetivo de este trabajo fue el diseño y la síntesis de nuevas moléculas que reemplacen los polímeros comúnmente utilizados como moléculas captadoras de luz en celdas solares orgánicas y el spiro-OMeTAD usado como transportador de huecos (HTM por sus siglas en inglés “hole transporting material”) en dispositivos solares de perovskita. Por una parte, los polímeros son conocidos por ser buenos transportadores de huecos, su alta solubilidad y su favorable habilidad en la formación de capas, pero tienen muy poca reproducibilidad entre distintos lotes. Por otra parte, el spiro-OMeTAD es la molécula que mejor reproducibilidad y eficiencia presenta en celdas solares de perovskita. Sin embargo, su síntesis compleja y de alto coste impide la posibilidad de escalado a nivel industrial. Con el fin de solucionar estos problemas, esta tesis se ha enfocado en el diseño, síntesis y caracterización de un conjunto de moléculas pequeñas de bajo peso molecular para su aplicación en dichos dispositivos

Nowadays, renewable energy sources are attracting a lot of attention due to the undesired environmental impact the fossil fuels are causing to the Earth. Solar cells technologies are a sustainable alternative to the increasing world energy demand. The main aim of this work was to design and synthetize novel molecules that could replace the polymers widely used as absorbers in organic solar cells and spiro-OMeTAD used as a hole transporting material (HTM) in perovskite solar cells. On the one hand, polymers are known for their good hole transporting properties, high solubility and good film forming abilities but they have a poor batch-to-batch reproducibility. Furthermore, spiro-OMeTAD is the best molecule to achieve reproducible and highly efficient perovskite solar cells. However, its complex and expensive synthesis and purification hinder its usage in industrial scale photovoltaics. In order to overcome these problems, the rational design, synthesis and characterization of a variety of small molecules for both applications have been on a focus of this thesis.