Optimierung amphiphiler organischer Moleküle für selbstorganisierende photovoltaische Materialien

• Antragsteller: Dr. Stefan Kraner; Professor Dr. Ullrich Scherf
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419282603

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts war die Synthese und der experimentelle Nachweis eines neuen Konzepts von sich selbst organisierenden amphiphilen Donor-Spacer-Akzeptor Triaden für organische Solarzellen. Sowohl die Synthese als auch die Manipulation von amphiphilen Molekülen und die entsprechenden Doppelschichten stellen eine Herausforderung dar. Wir konnten amphiphile PDIs synthetisieren, die hohe Ordnung in Doppelschichten aufzeigen, und einen möglichen Weg aufzeigen, um potenziell Ladungen durch eine strukturierte Oberfläche im Submikrometerbereich zu extrahieren. Amphiphile Triaden oder Dyaden konnten im Rahmen dieses Projekts nicht synthetisiert und charakterisiert werden. Die Synthese von amphiphilen TDIs, die später als Donor verwendet werden sollen, konnten synthetisiert werden. Die geringe Löslichkeit (aufgrund der starken pi-Stapelung) verhindert jedoch eine effiziente Trennung der chemischen Syntheseprodukte (ähnlich wie beim Cyano-PDI). Daher müssen löslichere Teilmoleküle oder, anders ausgedrückt, Moleküle mit einer weniger starken Pi-Stapelung verwendet werden. Das Donor- und Akzeptor-Submolekül in der endgültigen amphiphilen Triade muss jedoch einen sehr effizienten Ladungstransport gewährleisten, was mit einer starken Pi-Stapelung vorteilhaft erreicht werden kann. Dies widerspricht einander und macht es sehr schwierig, das vorgeschlagene Konzept experimentell erfolgreich durchzuführen. Wir haben also aus diesem Projekt gelernt, dass die benötigten amphiphilen Triaden zu kompliziert sind, um sie auf wissenschaftlicher Ebene zu synthetisieren, was sicherlich auch für die Kommerzialisierung gilt. Ein Ansatz, um die oben genannten Probleme zu umgehen, ist die Verwendung von auf atomlagenabgeschiedenen Metalloxiden in Kombination mit SAMs. Ein Konzept, das in Zukunft noch genauer untersucht werden muss.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Molecular design for all-in-one self-assembled donor–acceptor organic solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 244, 111798.
  Kraner, Stefan & Schmidt-Mende, Lukas
  
• “Novel concept for an optimal solar cell based on selfassembling organic molecules,” E-MRS 2023 Spring Meeting, Strasbourg, Germany, May 2023 (Oral presentation).
  S. Kraner & L. Schmidt-Mende