Conjugated materials for thermoelectrics and photovoltaics

Esta tesis explora cómo las interacciones entre materiales orgánicos pueden ser aprovechadas para obtener funcionalidad adicional de una manera sencilla, sin necesidad de procesamiento complejo. Los resultados obtenidos tienen aplicaciones en el campo de la fotovoltaica y termoeléctrica orgánica. El trabajo se centra en materiales tales como polímeros conjugados y nanotubos de carbono, y procesos de deposición desde disolución simples, como el recubrimiento por cuchilla. La primera parte presenta resultados sobre la caracterización elipsométrica de las propiedades ópticas de los polímeros conjugados y sus mezclas con fullerenos o dopantes. La elipsometría espectroscópica de ángulo variable se utilizó no sólo para caracterizar las constantes ópticas de nuevos polímeros altamente absorbentes, sino también para investigar el efecto de los aditivos disolventes sobre el grado de segregación vertical de fase en mezclas de polímero:fullereno. La segunda parte detalla el trabajo sobre nanocompuestos de polímeros conjugados y nanotubos de carbono, una prometedora clase de materiales termoeléctricos orgánicos. Debido a que los polímeros conjugados permiten desenredar los manojos de nanotubos de carbono de manera eficiente, estos nanocompuestos se pueden preparar fácilmente. Presentan tanto una buena conductividad eléctrica como una baja conductividad térmica, que son requisitos necesarios para un buen rendimiento termoeléctrico. De particular interés son los compuestos de tipo n que contienen nanotubos de carbono dopados con nitrógeno, así como métodos de procesamiento que permiten cambiar el tipo de portador mayoritario. La tercera parte se centra en técnicas sencillas de fabricación de dispositivos fotovoltaicos orgánicos, con el objetivo particular de obtener capas orientadas de polímeros conjugados. Esto se logró controlando localmente la evaporación del disolvente para influir en la cristalización epitaxial direccional de polímeros conjugados en un aditivo disolvente cristalino. El método desarrollado permite preparar dos tipos distintos de películas. Si la nucleación del aditivo se limita a la línea de contacto unidimensional durante el recubrimiento con cuchilla, se obtienen entonces películas uniaxialmente orientadas con una morfología fibrilar. Al limitar la nucleación a un punto, se puede crecer una superestructura cristalina circular conocida como esferulita en cualquier lugar deseado de la película. Los dispositivos fotovoltaicos orgánicos que se prepararon a partir de estas películas orientadas tienen aplicaciones como detectores del estado de polarización de la luz.This thesis explores ways of how interactions between organic materials can be exploited to obtain additional functionality in a simple manner, without the need for complex processing. The obtained results have applications in the field of organic photovoltaics and thermoelectrics. The work focuses on materials such as conjugated polymers and carbon nanotubes, and simple solution-based deposition processes such as blade coating. The first part presents results on the ellipsometric characterization of the optical properties of conjugated polymers and their blends with fullerenes or dopants. Variable angle spectroscopic ellipsometry was used not only to characterize the optical constants of new, highly absorbing polymers, but also to investigate the effect of solvent additives on the degree of vertical phase segregation in polymer:fullerene blends. The second part details the work on nanocomposites of conjugated polymers and carbon nanotubes, a promising class of organic thermoelectric materials. Because conjugated polymers allow for efficient debundling of carbon nanotubes, these nanocomposites can be prepared readily. They exhibit both a good electrical conductivity and a low thermal conductivity, which are necessary requisites for good thermoelectric performance. Of particular interest are n-type composites containing nitrogen-doped carbon nanotubes, as well as processing methods that allow to change the majority carrier type. The third part focuses on simple fabrication techniques for organic photovoltaic devices, with the particular objective of obtaining oriented layers of conjugated polymers. This was achieved by locally controlling solvent evaporation to influence the directional epitaxial crystallization of conjugated polymers on a crystalline solvent additive. The developed method allows to prepare two distinct types of films. If the nucleation of the additive is confined to the one-dimensional contact line during blade-coating, then uniaxially oriented films with a fibrillar morphology are obtained. By confining the nucleation to a point, a circular crystalline superstructure known as a spherulite can be grown at any desired location in the film. The organic photovoltaic devices that were prepared from these oriented films have applications as detectors of the polarization state of light