Solid-state NMR relaxometry as a tool to describe and quantify the nanostructured morphology of thin poly mer/PCBM films used as photoactive layer in plastic solar cells

Abstract

Summary excerpts: Both the growing awareness of the limited supply of fossil fuels and the observed climatic changes all over the world have triggered great attention for environmentally friendly and inexpensive renewable energy sources in as well the political as scientific community. Nowadays lots of techniques and sources are explored of which some are already commercialized, others are still in early stages. Among these applications there is an extensive attention for solar energy because the sun is an inexhaustible source. Two approaches are possible to harness this carbon-free source of energy. In the case of solar cells, solar energy is converted into an electric current. Another basic concept is to focus the sunlight by a series of mirrors and subsequently create steam that can drive turbines. Regarding solar cells currently a lot of research is focussed on plastic solar cells as a possible cheaper alternative for their already commercial inorganic counterparts. … As a general conclusion it can be stated that the nanostructured morphology of BHJ D/A systems can be very complex. Hereby the electron acceptor PCBM can appear in several fysico-chemical states like e.g. well-defined crystallites, nanocrystals, needle-like structures consisiting of single crystals surrounded by mesoscopic low-order PCBM as well as in the amorphous state. The film morphology originates from the complex interplay between the PCBM, the film casting solvent and the donor polymer. Only D/A systems for which large well-defined PCBM crystallites are observed, as for MDMO-PPV/PCBM films casted from toluene solutions, can be accurately described and quantified by means of solid-state 1 H wide-line NMR relaxometry. However, a satisfactory description of the nanomorphology of more complex D/A systems requires, in addition to 13C MAS relaxometry, a combination of analytical techniques like TEM, XRD, DSC, SAED, … In conclusion, NMR results can provide a valuable supplement to the (quantitative) description of the nanomorphology of photoactive layers used in OPVs. Nevertheless each individual D/A system needs a set of complementary techniques in order to describe, and so to optimize, the nanostructured film morphology.

Uitreksels uit de samenvatting: De wereldwijde vraag naar energie ligt nog steeds in stijgende lijn, hoofdzakelijk vanwege de ontwikkeling van economische groeipolen zoals China, India, Zuid-Afrika, Brazilië, enz… Echter de eindige voorraden aan fossiele brandstoffen en de verwachte problemen ten gevolge van het broeikaseffect hebben in zowel de politieke als academische wereld een groeiend moreel besef doen ontstaan aan de noodzaak voor milieuvriendelijke alternatieven om aan deze energiebehoefte te voldoen. Een van de mogelijkheden hiertoe is gebruik te maken van zonne-energie. Voor het oogsten van deze onuitputtelijke bron zijn twee benaderingen mogelijk. Enerzijds kan men zonnelicht omzetten in elektrische stroom (de zogenaamde zonnecellen), anderzijds kan zonne-energie gebruikt worden om stoom te produceren. Wat betreft de zonnecellen wordt er tegenwoordig veel onderzoek gedaan omtrent organische cellen als mogelijk goedkoper alternatief voor de reeds commerciële anorganische tegenhangers. … Als algemeen besluit kunnen we stellen dat de nanogestructureerde morfologie in BHJ D/A systemen zeer complex kan zijn. Wat betreft de acceptor PCBM kan deze laatste voorkomen in meerdere fysico-chemische toestanden zoals o.a. in grote kristallieten, nanokristallen, naaldachtige structuren bestaande uit éénkristallen omgeven door mesoscopische lagere-orde PCBM als ook in de amorfe toestand. De uiteindelijke film morfologie komt tot stand door een onderlinge wisselwerking tussen zowel PCBM, het oplosmiddel voor filmvorming en het donor polymeer. Alleen D/A systemen waarin grote PCBM kristallieten ontstaan, zoals in het geval van MDMO-PPV/PCBM filmen gevormd uit tolueen oplossingen, kunnen voldoende nauwkeurig beschreven en gekwantificieerd worden met behulp van 1 H wide-line NMR relaxometrie. Echter, de volledige beschrijving van de nanomorfologie van meer complexe D/A systemen vereist naast 13C MAS relaxometrie een combinatie van conventionele technieken zoals TEM, XRD, DSC, SAED, …. Dus algemeen kan besloten worden dat NMR gegevens een waardevolle aanvulling zijn voor de (kwantitatieve) beschrijving van de film morfologie van de fotoactieve laag van OPV’s, maar dat ieder systeem best wordt bestudeerd met de nodige complementaire technieken om een goed beeld, en dus optimalisatie, van de nanomorfologie te bekomen.