Synthesis and characterization of novel quinoxaline-based and thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione-based conjugated polymers and their applications in organic electronics
Özgün kinoksalin tabanlı ve tiyeno[3,4-c]pirol-4,6-diyon tabanlı konjuge polimerlerin sentezi, karakterizasyonu ve organik elektronikteki uygulamaları
- Tez No: 474986
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. EMRULLAH GÖRKEM GÜNBAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde ilk olarak özgün kinoksalin tabanlı ve özgün tiyeno[3,4-c]pirol-4,6-diyon (TPD) tabanlı monomerler sentezlenmiştir. Sentezlenen her bir malzemenin yapısal analizi Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (NMR) ve Yüksek Çözünürlüklü Kütle Spektroskopisi (HRMS) yöntemleri ile yapılmıştır. İki yeni kinoksalin tabanlı monomer elektrokimyasal ve/veya kimyasal polimerleşme ile polimerleştirilmişken, TPD tabanlı monomer benzoditiyofen tabanlı akseptör ile Stille kenetlenme reaksiyonu sayesinde polimerleştirilmiştir. Polimerlerin kütlesel ağırlıkları Jel Geçirgenlik Kromatografisi (GPC) ile tayin edilmiştir. Monomerlerin elektrokimyasal davranışları Dönüşümlü Voltametri (CV) ile incelenirken, polimerlerin elektrokromik özellikleri spektroelektrokimyasal, kolorimetrik ve kinetik analizler ile incelenmiştir. ELEC-PQUIN-12C-TH hem n-tipi/p-tipi katkılanabilen hem de multikromik özellik sergilemiştir. Literatürde bu tip özelliklere sahip polimerler nadirdir; bundan dolayı, bu polimerler görüntü sistemleri ve akıllı camlar gibi özel amaçlar için kullanılırlar. Öte yandan, ELECT-PQUIN-2OD-ED ve CHEM-PQUIN-2OD-ED polimerlerin yalnızca p-katkılanma özelliği göstermiştir. Bu özellikler neredeyse tüm konjuge polimerler için yaygın olmasına rağmen, nötr halinde yeşil ve oksitlenme halinde geçirgen gri rengi gösteren polimerler literatürde nadirdir. Nötr halinde tamamlayıcı renklerden (RGB rengi) birisine sahip ve oksitlenme halinde geçirgen gri rengine sahip olan bu tip polimerler, basit görüntü cihazları gibi birçok elektrokromik uygulamalarda ilgilenilmektedir. Dahası, görünür bölgede ELECT-PQUIN-2OD-ED ve CHEM-PQUIN-2OD-ED polimerlerin (728 nm'de %43 ve 730 nm'de %45), geçirgen bir oksitlenme halindeyken en gelişmiş polimere (PDOPEQ) göre daha fazla optik kontrast sergilemişlerdir. Ayrıca, çözünür alkoksi grupları ile akıllıca dizayn edilen monomer sayesinde, kimyasal yöntemle sentezlenen yapısında EDOT ünitesini bulunduran kinoksalin içerikli homopolimer yaygın organik çözücüler içerisinde mükemmel bir çözünürlük göstermiştir. CHEM-PQUIN-2OD-ED polimerini bahsi geçen çözücülerde çözünür yapmak için uzun dallanmış alkil zinciri ile dizayn edilmiştir. ELEC-QUIN-12C-TH, ELEC-PQUIN-2OD-ED ve CHEM-PQUIN-2OD-ED polimerlerin ümit veren elektrokimyasal ve elektrokromik sonuçları sayesinde, bu polimerler hem şimdiki hem de yeni nesil elektrokromik teknolojisine kolayca entegre edilebilirler. Selenofen yan ünitesi ile birlikte kullanılan polimerler düşük enerji bant aralığı (<2.0 eV) ve NIR bölgesini de kapsayan geniş absorpsiyonlar sergilediğinden, TPD içeren bir akseptör ünitesi selenofen yapı taşı ile birlikte dizayn edilmiştir. Organik güneş pillerinde kullanılmış, selenofenin TPD ünitesine bağlı olduğu yalnızca bir makale vardır. Bu malzemeyi kullanarak birçok olası özgün polimerler sentezlenebilir. Bundan dolayı, selenofen ünitesi TPD merkezi ünitesine yan ünite olarak entegre edildi. Aynı zamanda, literatürde BTA ve BDT yüksek verime sahip organik güneş pili hücreleri hazırlamak için de umut vaat eden malzemelerdir. Bu nedenden dolayı, TPD, BTA ve BDT malzemelerini içeren özgün random kopolimerler tasarlanmıştır ve Stille kenetlenme reaksiyonu ile sentezlenmiştir. Organik güneş hücresinde bu polimer donör olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda PCBM fullerenin yaygın ve çözünür bir türevi olan PCBM ise akseptör olarak bu organik güneş pilinin hazırlanmasında kullanılmıştır. Kalınlık ve morfolojik özelleri araştırıldıktan sonra, bu çalışmaların sonuçlarına dayanarak uygun güneş hücresi aygıtları (ITO/PEDOT:PSS/poli(TPD-BTA-BDT):PC71BM/LiF/Al) hazırlanmıştır. Ayrıca her bir hücrenin akım-gerilim (I-V) özellikleri incelenmiştir. Tüm güneş pili çalışmaları azot dolu eldivenli bir kabin sistemin içinde güneş simülatörleri kullanılarak yapılmıştır (nem <0.1 nm; oksijen <0.1 ppm). Fotovoltaik cihazdan alınan veri, AM 1.5 G aydınlatma (100 mW.cm-2) sayesinde ölçümü yapılan güç çevirim verimini (PCE) hesaplamak için kullanılmıştır. Kullanılan farklı sistemlerin hazırlanan güneş hücrelerin verimine katkı sağladığı bilinmektedir. Bu çalışmada herhangi bir optimizasyon yapılmadan %3 verimin elde edilmesi umut vaat edici bir sonuçtur. Elde edilen bu ilk veri göz önüne alındığında laboratuvarda hazırlanacak, optimizasyonu yapılacak fotovoltaik hücrelerin verimliliğinin bir hayli yüksek olması beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis novel quinoxaline-based and thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (TPD)-based monomers were firstly synthesized. Structural analysis of each material synthesized was performed with Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy and High-Resolution Mass Spectroscopy (HRMS). Two novel quinoxaline-based monomers were polymerized with electrochemical and/or chemical polymerization whereas TPD-based monomer was polymerized with benzodithiophene-based acceptor via Stille coupling polycondensation reaction. Molecular weight of the polymers was determined by Gel Permeation Chromatography (GPC). The electrochemical behaviors of monomers were studied with Cyclic Voltammetry (CV); on the other hand, the electrochromic properties of polymers were studied with spectroelectrochemical, colorimetric and kinetic studies. ELEC-PQUIN-12C-TH showed both n-dopable/p-dopable and multi-chromic characteristics. In literature, the polymers having such property is rare; therefore, they are used for special purposes such as display systems and smart windows. On the other hand, ELEC-PQUIN-2OD-ED and CHEM-PQUIN-2OD-ED showed just p-dopable characteristics. Although such properties were common for almost all conjugated polymers, the polymers showing green color in their neutral state and transmissive grey color in their oxidized state are rare in literature. This kind of polymers having one of the complementary colors (RGB colors) in their neutral states and transmissive grey in their oxidized states are interested in many applications like simple display devices. In addition, both ELEC-PQUIN-2OD-ED and CHEM-PQUIN-2OD-ED displayed greater optical contrasts in the visible region (43% at 728 nm and 45% at 730 nm) compared to the state of the art polymer, PDOPEQ. Furthermore, chemically synthesized quinoxaline-based homopolymer with EDOT side units showed excellent solubility in common organic solvents, especially in CHCl3. To make CHEM-PQUIN-2OD-ED soluble in such solvents, it was designed with a long-branched alkyl chain. Since ELEC-QUIN-12C-TH, ELEC-PQUIN-2OD-ED and CHEM-PQUIN-2OD-ED have promising electrochemical and electrochromic characteristics, they can be easily integrated into today's electrochromic technology even the new generation electrochromic devices. An acceptor unit containing TPD was designed with selenophene building blocks since polymers that utilizes with selenophene side units result in polymers with low band gap energy (<2.0 eV) and broad absorptions with covering NIR region. There is only one report of selenophene attached TPD unit being used in organic solar cells. A number of possible novel polymers can be synthesized using this material. Therefore, selenophene was integrated into TPD central unit as a side unit. In literature, BTA and BDT are also known as promising materials for preparing organic solar cells with a high efficiency. Therefore, novel random copolymer including TPD, BTA and BDT materials were designed and synthesized via Stille coupling. This polymer was then used as donor whereas PCBM, the common and soluble derivative of fullerene was used as acceptor in preparation of organic solar cells. Thickness and morphological properties of poly(TPD-BTA-BDT):PC71BM were investigated and based on these results suitable solar cell devices (ITO/PEDOT:PSS/poly(TPD-BTA-BDT):PC71BM/LiF/Al) were prepared. Current-Voltage (I-V) properties of each cell were also examined. All solar cell studies were done by using solar simulators in a nitrogen-filled glovebox system (moisture <0.1 ppm; oxygen <0.1 ppm). Data obtained from photovoltaic device was used to calculate Power Conversion Efficiency (PCE) measured under standard AM1.5 G illumination (100mW.cm-2). Without going through the optimization process which has significant effect on PCEs, the material showed 3.0% efficiency. This is a highly promising result and the optimizations are currently underway in our laboratories.
Benzer Tezler
- Synthesis of new multifunctional polyfluorene and donor acceptor type polyfluorene derivatives
Çok fonksiyonlu yeni polifloren sentezi donör akseptör tipi polifloren türevleri
BUKET ÇARBAŞ BEZGİN
Doktora
İngilizce
2013
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET MUHTAR ÖNAL
- PDT için hedefe yönelik ftalosiyaninlerin sentezi
Synthesis of target oriented phthalocyanines for PDT
TAYLAN SAMSUNLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESİN HAMURYUDAN
- Yeni beta-amino alkollerin sentezi ve karakterizayonu
Synthesis and characterization of novel beta-amino alcohols
HÜSEYİN SALİHOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Kimyaİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAKBULE ÇİĞDEM SAYIL
DOÇ. DR. ESEN BELLUR ATICI
- Karışık donörlü makrosiklik grup taşıyan yeni ftalosiyaninlerin sentezi ve karakterizasyonu
Studies on the synthesis and characterization of novel phthalocyanines containing mixed donor macrocyclic moieties
BEYTULLAH ERTEM