Principios básicos de diseño de materiales orgánicos · Enlace químico El desarrollo de la...
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Curso: “Materiales Orgánicos para OPV´s”
Centro de Investigaciones en Óptica (CIO)
Mayo 2014
Dr. Arián Espinosa Roa
Centro de Investigaciones en Óptica A. C.
Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia
División de Fotónica
Proceso biológicos involucrando
fotones
4
Bioluminiscencia
5
6
Semiconductores orgánicos (carbono)
Semiconductores orgánicos
Premio Nobel de
Química 2000
"Por su descubrimiento y desarrollo de los
polímeros conductores y por su revolucionario
descubrimiento de que el plástico puede, con
ciertas modificaciones, ser conductor de
electricidad"
-Costos
- Propiedades mecánicas
- Modificación de propiedades optoelectrónicas
- Biodegradables
7
Porque trabajar con
semiconductores orgánicos
Optoelectrónica
orgánica
8
Línea Philips
Teléfonos-pulsera
9
Optoelectrónica
orgánica
La Química de los materiales orgánicos
Moléculas Orgánicas
Sustancias químicas que contienen en su mayoría átomos de
carbono, los cuales se enlazan mediante enlaces covalentes
Tamaño menores a nanómetros (1 nm = 1x10-9 m )
Diverso campo de diseño
Bajo costo para su preparación
Fácil integración en dispositivos
11
Science 1 November 2013: 342 (6158), 611-614
Átomo de carbono
El carbono es un elemento notable por varias razones.
Sus formas alotrópicas incluyen, sorprendentemente,
una de las sustancias más blandas (el grafito) y la más
dura (el diamante).
12
Grafeno
13
El Premio Nobel de Física 2010 fue
otorgado a Andre Geim y a Konstantin
Novoselov por sus revolucionarios
descubrimientos sobre el grafeno,
cuya existencia ya había sido descrita en la
década del 30.
14
Compuestos Orgánicos
• Alifáticos
• Aromáticos
• Heterociclos
• Organometálicos
• Polímeros
N
NNH
N
NH2
NH2
CH
CHH2C
OH
HO CH2
H2C
CH2
NH2
F. A. Carey Química Orgánica, Quinta edición , Mc Graw-Hill 15
Compuestos
conteniendo sistemas π
H3C
CH3
N
HCMe
Me
ON
HCMe
e
O
16
Dentro de la
naturaleza
17
Compuestos orgánicos en
la vida
18
Dentro del cuerpo
humano
Enzima ATP-sintasa.
Se encarga de generar el ATP
a partir de ADP y fósforo
inorgánico.
ADP
19
Para movernos
Este sistema hace posible la contracción muscular, lo
que da como resultado el movimiento (caminar, correr,
etc).
20
Algunos que presentan
olor
Vainilla
O
Canela
21
¿Por qué es tan
interesante el átomo de
carbono?
En especial, presenta una gran afinidad para enlazarse
químicamente con otros átomos, incluyendo otros átomos de
carbono con los que puede formar largas cadenas, y además
puede formar enlaces múltiples.
H3C
CH2
CH3
HCHC
H3C
CH3
C CH3C CH3
22
Enlaces con otros elementos dan
origen a Grupos funcionales
23
Tabla periódica en
Química Orgánica
24
Algunas sustancias
químicas comunes
25
Diseño molecular
Enlace químico
El desarrollo de la tabla periódica y el
concepto de configuración electrónica dieron a
los químicos los fundamentos para entender
como se forman las moléculas y los
compuestos.
Unión de dos elementos químicos
27
Tipos de enlace
químico
Iónico
Covalente
28
Enlace iónico
Se lleva a cabo entre elementos químicos con una
gran diferencia de electronegatividad.
Na + Cl Na+ Cl-
29
Enlace covalente
Este se lleva a cabo entre elementos con valores cercanos de
electronegatividades
H + H H H H-H
30
Diferencias entre sólidos
iónicos y covalentes
Iónicos Covalentes
Solubilidad en agua Buena Mala
Puntos de fusión Altos (1000°C) Bajos (400°)
Punto de ebullición Altos Bajos
Densidad Alta Baja
Conductividad
eléctrica
Sólido
Solución
Pobre
Buena
Pobre
Pobre
31
ORBITALES
MOLECULARES
32
ORBITALES
ATÓMICOS
33
H2
H
1s1
H
1s1
34
Como diagrama de
energía
35
Para una transición
electrónica
36
Y para una molécula
como el He2
37
Y los orbítales p
38
Fase de un orbital
Una característica del comportamiento de onda de
un orbítal es la existencia de nodos lo cual da
origen a la fase en un orbital
39
Enlace σ entre
orbitales p
40
Y los enlaces π
41
El nivel energético
HOMO y LUMO 42
Orbítales frontera
• HOMO highest occupied molecular orbital
• LUMO lowest unoccupied molecular orbital.
La diferencia en energía entre estos dos orbítales, es
el denominado gap, el cual algunas veces sirve como
medida de la excitabilidad de la molécula, entre mas
pequeña le diferencia energética, mas fácilmente es
excitada
43
Diagrama de HOMO y
LUMO
Isopreno
44
Gaussian esta diseñado para estudiar sistemas en
fase gaseosa y en solución, en el estado fundamental
y estados excitados; lo que permite explorar áreas
de interés químico como efectos del substituyente,
mecanismos de reacción, superficies de energía
potencial, energías de excitación, etc.
45
¿Qué es Gaussian?
Energías y estructuras
moleculares.
Energías y estructuras de estado
de transición.
Frecuencias vibracionales.
Espectros infrarrojo y Raman.
Propiedades termodinámicas.
Energías de reacción y de enlace.
Trayectorias de reacción.
Orbitales moleculares.
Cargas atómicas.
Apantallamiento en resonancia
magnética nuclear y
susceptibilidad magnética.
Afinidades electrónicas y
potenciales de ionización.
Polarización e hiperpolarización.
Potenciales electrostáticos y
densidades electrónicas.
46
¿Para que sirve?
Definición de
Estructura
Coordenadas XYZ
Coordenadas Internas
Graphical User Interface (GUI)
47
Coordenadas XYZ:
Formaldehído
48
2
12
2
12
2
1212 )()()( zzyyxxr
Longitud (Unión):
1 2
Angulo (Unión):
||||cos
3,21,2
3,21,2
3,2,1RR
RR
||||
))(())(())((cos
3,21,2
232123212321
RR
zzzzyyyyxxxx
1
2
3
Coordenadas internas
49
2
1
3
4
R1
R3
R2
Rotación en la unión 2-3:
||||cos
4,3,23,2,1
4,3,23,2,1
NN
NN
|)(||))((|
)())((cos
2321
2321
RRRR
RRRR
3,21,23,2,1 RRN 4,32,34,3,2 RRN
izzyyzzyyRR )])(())([( 212323213,21,2
jzzxxxxzz )])(())([( 23212321
kyyxxyyxx )])(())([( 21232321
Angulo (Torsional /
Diedro)
50
Band Gap Teórico
HOMO
LUMO
2.36 eV
-5.32 eV
-2.96 eV
DFT b3lyp/6-31+G(d)
51
Metano, Etileno y
Etino
52
Para un doble enlace
con oxígeno
53
Diagrama de energía
para los tipos de enlace
54
En las moléculas
orgánicas el enlace
covalente predomina Maitotoxina
Batracotoxina Estricnina 55
Características estructurales
de compuestos lineales
Cadenas saturadas (alcanos)
Cadenas insaturadas (alquenos)
Cadenas insaturadas (alquinos)
Ángulos de 109°
C-C = 1.50Å
Ángulos de 120°
C-C = 1.33 Å
Ángulos de 180°
C-C ≡ 1.20 Å
56
Sistemas π conjugados
57
Alternación de
longitudes de enlace en
moléculas conjugadas
H3C
CH3
N
HCMe
Me
ON
HCMe
e
O
Resonancia
58
Resonancia
Consiste en la combinación lineal de estructuras de una molécula
(estructuras resonantes) que no coinciden con la estructura real,
pero que mediante su combinación, nos acerca mas a su estructura
real.
59
Distancias de anillos
aromáticos
60
Deslocalización
electrónica
La deslocalización electrónica, en física y en química, es el
fenómeno que se produce cuando uno o varios electrones
pueden distribuirse o moverse entre varios átomos en una
molécula
Una de los efectos de la deslocalización electrónica en
sistemas conjugados se ve reflejado en la longitudes de enlace
61
Moléculas aromáticos y
antiaromáticas
El benceno y sus derivados
Regla de Hückel
Aromático
4n+2
Antiaromático
4n
62
Benceno
C6H6
63
¿Que pasa cuando radiación electromagnética
incide en una molécula orgánica?
Cambios provocados por la
interacción con el espectro
electromagnético
65
Técnicas
espectroscópicas
• Son métodos instrumentales empleados en química analítica
basados en la interacción de la radiación electromagnética, u
otras partículas, con un analito para identificarlo o determinar
su concentración.
• Según el rango de energía que presente la radiación
electromagnética existen diferentes técnicas.
66
• ABSORCIÓN (UV-VIS, IR)
• EMISIÓN (fluorescencia)
• DISPERSIÓN ( Raman)
• DIFRACCIÓN ( Rayos X)
• Luz polarizada (dicroismo circular)
• Resonancia (RMN, EPR)
67
Técnicas
espectroscópicas
10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102
longitud de onda (cm)
rayos rayos x UV VIS IR m-ondas radio
Espctroscopía UV:
cromóforos
Espectroscopía IR:
grupos funcionales
Espectroscopía RMN: átomos
individuales y su entorno
Espectroscopía de rayos X:
Formas cristalinas
Técnicas
espectroscópicas
68
Espectroscopía de
infrarrojo
Espectroscopia de
infrarrojo
• No es destructiva.
• Diferentes formas de análisis.
• Estudia la vibración de las moléculas.
70
¿Como funciona?
• Un espectro de infrarrojo es comúnmente obtenido al hacer pasar radiación infrarroja a través de una muestra y determinar que cantidad de la radiación incidente es absorbida
• La energía a la cual un pico de absorción aparece corresponde a la frecuencia de vibración de una parte de la molécula
71
Modos de vibración
Estiramiento
simétrico
Estiramiento
asimétrico
de tijera
oscilante Flexión fuera del
plano
Torción fuera del
plano 72
Vibración de enlaces en
compuestos orgánicos
73
Ejemplo de un
espectro IR
74
Espectroscopia de absorción
UV-Visible
¿Que usa?
Utiliza radiación electromagnética (luz) de las
regiones visible, ultravioleta cercano (UV) e
infrarroja cercano (NIR).
¿Que mide?
La radiación absorbida por las moléculas y que
provoca transiciones electrónicas que pueden ser
cuantificadas.
76
Energía
Tal como dicta la ley de conservación de la energía, la suma
de todas las formas de energía que ingresan en la muestra
debe de ser igual a la suma de todas las formas de energía que
salen de la muestra, más la energía que absorbe el material.
La energía entra y sale del átomo (o molécula) en forma de luz,
calor y energía cinética de partículas tales como los
electrones.
77
De qué depende la
absorción
La absorción molecular en la región ultravioleta y visible del
espectro electromagnético depende de la estructura
electrónica de la molécula.
En la práctica, la espectrometría ultravioleta está limitada al
análisis de sistemas conjugados.
La absorción de energía se cuantifica y da por resultado la
elevación de los electrones que ocupan orbitales de estado
básico a orbitales de mayor energía (estado excitado).
78
• Cualitativa, Identificación de cromóforos por el espectro
A vs
• Cuantitativa, medir la concentración del cromóforo
A = ε b C
Aplicaciones de la
espectroscopía de
absorción uv-vis
79
Aproximación de Band Gap:
Excitación electrónica
Cuando un fotón UV-Visible de energía adecuada incide en
una especie absorbente, un electrón es promovido desde su
estado fundamental a un estado electrónico excitado. En
absorción UV-Visible, pueden observarse las distintas
transiciones electrónicas
80
Energía absorbida
La energía absorbida depende de la diferencia de energía entre
el estado básico y el excitado; cuanto menor es la diferencia de
energía mayor la longitud de onda de la absorción. El exceso
de energía en el estado excitado puede dar por resultado la
ionización de la molécula o se puede emitir en forma de calor
o luz.
La absorción de radiación ultravioleta o visible por una
molécula M se puede considerar como un proceso de dos
etapas, la excitación electrónica y la relajación.
*MhvM
calorMM *
81
82
En espectroscopía UV-Vis se irradia con luz de energía suficiente
como para provocar transiciones electrónicas, es decir promover
un electrón desde un orbital de baja energía a uno vacante de
alta energía Transiciones electrónicas posibles entre orbitales
En UV- Vis la
energía solo
alcanza para
las transiciones
n→* y →*
n: orbital que contiene par de electrones no compartidos (ej en O, N, Cl)
83
Transiciones
electrónicas
Las transiciones más favorecidas son entre el orbital ocupado de energía más alta
(HOMO) y el orbital desocupado de energía más baja (LUMO) El espectrómetro UV-Vis registra las longitudes de onda donde se
registra absorción y cuantifica la absorción
luz UV
DETECTOR
cubeta muestra (en solución)
El espectro se registra como
Absorbancia (A) vs. longitud
de onda (λ)
Las bandas del espectro UV son
anchas porque incluyen la
estructura fina de transiciones
vibracionales y rotacionales de
menor energía 84
Energía absorbida
A mayor conjugación de sistemas aromáticos la absorción se desplaza
al visible
Este compuesto
es de color
anaranjado
85
Energía absorbida
Energía necesaria para las transiciones
Transiciones σ→σ *
λ<150 nm σ C-H o C-C. ultravioleta de vacío.
Transiciones n→σ *
λ entre 150-200 nm . pares de electrones no compartidos
(electrones de no enlace).
Transiciones n→π * y π → π *
200 a 700 nm. cromóforos.
86
Cromóforo
Un cromóforo es el conjunto de átomos de una molécula que posee
electrones capaces de absorber energía y excitarse para luego emitir
esta energía en forma de luz visible; las longitudes de onda de la
energía emitida dependen del cambio de nivel energético de los
electrones, de estado excitado a estado basal. Cuando una molécula
absorbe ciertas longitudes de onda de luz visible y transmite o
refleja otras, la molécula tiene un color.
87
88
Cromóforo
89
Sistemas conjugados
En la teoría de los orbitales moleculares, se considera que los
electrones π de un sistema conjugado están deslocalizados por
conjugación. El efecto de esta deslocalización es el descenso del nivel
de energía del orbital π*, como consecuencia los máximos de
absorción se desplazan hacia longitudes de onda más largas.
Terminología
• Grupo cromóforo: grupo covalente insaturado que
origina bandas de absorción electrónica.
• Grupo auxócromo: grupo saturado (conteniendo
pares de electrones libres) que unido a un cromóforo
altera tanto la posicion como la intensidad de la banda
de absorción.
90
Desplazamientos
Batocrómico, desplazamiento de la banda de absorción
a longitudes de onda mayores.
Hipsocrómico, desplazamiento de la banda de absorción
a longitudes de onda menores
91
coeficiente de
absorción molar
La ley de Beer permite cuantificar
la concentración de una muestra
por UV, también puede ser
expresada de la siguiente manera: A
= εcl
A : Absorbancia
ε : Coeficiente de exincion
(Característico de cada sustancia).
l : Largo del paso de la cuba (cm).
c : Concentración (moles/l).
92
Efecto en la
intensidad de la
banda
• Hipercrómico, incremento en la intensidad de
una banda de absorción.
• Hipsocrómico, decremento en la intensidad de
la banda de absorción.
93
Bandas de absorción
94
Efecto de grupos donadores
y aceptores en la banda de
absorción
95
Primeras
observaciones
96
Lumiscencia
• Es la emisión de luz por alguna sustancia y ocurre a partir de estado excitados
Puede ser de dos tipos dependiendo de la naturaleza del estado excitado
• Fluorescencia
• Fosforescencia
97
Estados excitados
Estado basal
(singlete) Estado
excitado
(singlete)
Estado
excitado
(triplete) 98
Procesos
involucrando fotones
Procesos involucrando fotones
transferencia de emisión de radiación de la
energía
Absorción
Fluorescencia
Fosforescencia
Relajación vibracional
Inversión de espin
Conversión interna
99
Fluoróforo
Es un componente de una molécula que hace que ésta sea
fluorescente. Es un grupo funcional de la molécula que
absorberá energía de una longitud de onda específica y la
volverá a emitir en otra determinada de mayor longitud de
onda.
100
Características del
espectro de emisión
• Energía de excitación
• Forma
101
Transiciones
electrónicas
102
Tiempo de vida y
rendimiento cuántico
Las características mas importantes de un fluoróforo es su
tiempo de vida y su rendimiento.
rendimiento cuántico: es el numero de fotones emitidos en
relación con los fotones absorbidos.
el tiempo de vida del estado excitado es definido por tiempo
promedio de existencia de las moléculas en el estado excitado
antes de regresar al estado basal
103
Extinción de la
fluorescencia
La intensidad de la fluorescencia puede ser reducida por una
gran variedad de procesos.
La reducción de la intensidad de fluorescencia es llamado
Quenching.
Uno de los mecanismos para llevar a cabo el proceso anterior
es la colisión, este ocurre cuando las moléculas en estado
excitado es desactivado por contacto con otras moléculas
presentes en la solución.
104
Moléculas orgánicas
para celdas solares
-Polímeros orgánicos.
-Moléculas pequeñas.
Materiales del tipo aceptor y
tipo donador
Tipo aceptor
materiales para el transporte de electrones y funciona como un aceptor de e-
Tipo donador
materiales para el transporte de huecos y funciona como un donador de electrones.
Pareja Donador-Aceptor
107
COMPUESTOS
ORGÁNICOS DE BAJO
PESO MOLECULAR
Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 073503
Adv. Mater. 2011, 23, 5387–5391
Adv. Energy Mater. 2011, 1, 888–893
J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15822–15825
Moléculas de bajo peso
109
110
Grupos o átomos dentro de una molécula, responsables de una propiedad
especifica (química, eléctrica, óptica).
Grupos electrodonadores: Tiende a ceder
electrones (proceso de oxidación)
Grupos electro aceptores: Tienden a
recibir electrones (proceso de reducción)
En ambos casos se requieren procesos
redox reversibles.
Grupos funcionales
111
Efecto de resonancia (ceder electrones)
Átomos o grupos funcionales con
electrones no enlazantes pueden ceder
estos electrones, para participar en la
nube electrónica
N: 1S22S22P3 El N es muy electronegativo, pero el
grupo CN en algunos casos es
electrodonador o electroaceptor
Grupos
electroaceptores y
electrodonadores
112
La adición de grupos aceptores como el grupo
nitro (–NO2), carboxilo (–COOH) o ciano (–CN)
genera un incremento en el potencial de
ionización, que es la E para arrancar un
ELECTRÓN de la capa de valencia a un átomo o
molécula. Además modifica el nivel LUMO de un
compuesto
NC
CNNC
CNNC
CNCN
NC
LUMO= -3.16 eV LUMO= -3.22 eV LUMO= -3.28 eV
Grupos
electroaceptores
113
La adición de grupos aceptores puede ayudar a
reducir la energía entre HOMO y LUMO
N
C6H
13
N
C6H
13
CN NC
N
abs =390 nm
f =414 nm
abs =423 nm
f =469 nm
Grupo Carbazol
Grupos
electroaceptores
114
La presencia de grupos electrodonadores
implica una disminución del potencial de
oxidación e incrementa el nivel energético
del HOMO. Grupos electrodonadores:
grupo metóxi (–MeO), grupo alcóxi (–RO) y
principalmente grupos amino ( –NH2, –
NRH, –NR1R2)
X
N
X
NH2
NCH
3
CH3
NH
NCH
3N
NH
CH3
CH3
X= a b c d e f
12
Grupos
electrodonadores
115
La estructura D–A genera un dipolo permanente,
que incrementa la densidad de carga entre los
cromóforos, y decrementa la energía de los estados
excitados. De esta forma los mecanismos de
relajación se producen en una menor frecuencia de
emisión, es decir, se observa un desplazamiento
batocrómico en la absorción y emisión
Estructura donador-
π-aceptor
116
La estructura D–A genera además una orientación
cristalina que favorece el transporte de carga.
Además dipolos no lineales tienen aplicaciones en
óptica no lineal
Estructura donador-
π-aceptor
117
- Estables, Insolubles, alto punto de fusión
-Fácil síntesis
- λabs = 400, 650 nm; λPL = 760 nm
- Estables, Insolubles, alto punto de fusión
-Fácil síntesis y fácil funcionalización
- λabs = 350, 550 nm
Compuestos
representativos
118
- Estables, Insolubles, alto punto de fusión
- Síntesis de mediana dificultad
- λabs = 417, 540 nm (estructura de la clorofila)
- Solubles, punto de fusión al redor de 120 °C
-Fácil síntesis y sustitución, alta movilidad de
huecos
- λabs = 300 nm; λPL = 400 nm
Compuestos
representativos
119
- Estables, Solubles, bajo punto de fusión
- Fácilde mediana dificultad
- Más ampliamente usado como transportador de
electrones
- Parcialmente solubles, mediano punto de fusión
- Síntesis de mediana dificultad
- λabs ≈ 540 nm
Compuestos
representativos
120
- Estables, Insolubles, alto punto de fusión
- Síntesis de mediana dificultad
- λabs = 350, 450 nm (estructura de la clorofila)
- Estables, solubles, alto punto de fusión
- Síntesis de mediana dificultad
- λabs = 350-400, 490-600 nm altamente
fluorescentes y fosforescentes
Compuestos
representativos
121
- Su solubilidad depende del peso molecular y la presencia de
cadenas alifáticas y suelen ser solubles en disolventes
medianamente polares.
- Debido a su peso molecular no suelen formar película y se
requiere de la evaporación a vacio para ello.
- Tienen puntos de fusión menores a 200 °C, puntos de
sublimación adecuados para su depósito por evaporación.
- Pueden estructuras cristalinas.
- Su coeficiente de absorción molar suele ser bajo si se compara
con polímeros.
- Suelen tener buena miscibilidad con polímeros por lo que
pueden insertarse en un matriz polimérica para formar películas.
Propiedades físicas
Por qué usar los
polímeros orgánicos
Polímeros orgánicos que poseen sistemas π, absorben luz en el intervalo del visible, generando cargas y un posible transporte de estas.
Ventajas:
a) bajo costo de síntesis.
b) una fácil preparación del dispositivo
c) manipulación química de las propiedades
*Valores de coeficientes de absorción
* Altos valores de movilidad de carga
122
123
Moléculas de gran tamaño constituidas por
una unidad básica (monómero) que se repite
n veces
Polímeros
124
-Adición: Se forma por adición de una unidad de
monómero a otra
- Condensación: Reacción entre dos grupos
funcionales con la perdida de una molécula de
agua
Polimerización
125
Mecanismo de
Polimerización por
radicales libres
126
Siempre se obtiene una mezcla de
cadenas con un cierto intervalo de peso
molecular
Mn= Peso molecular promedio en
número
Mw = Peso molecular promedio en peso
Mi = Peso molecular de la cadena
Ni = Número de cadenas de ese peso
molecular
Mn= S Ni x Mi
S Ni Mw=
S Ni x Mi2
S Ni x Mi
Peso molecular
Mn
Mw
PDI= Mw
Mn
Medición de los
polímeros
Cromatografía de
permeación en gel
127
128
Polímeros
conjugados
129
Alto coeficiente de
absorción Molar y
eficiencia de fluorescencia
Polímeros
Conjugados
130
Polímeros Funcionalizados
Se modifican sus propiedades:
- Mecánicas: solubilidad,
plasticidad, fragilidad, estabilidad
térmica
- Eléctricas: Generación de
portadores de carga, Conductividad
- Ópticas: Longitud de onda de
absorción y emisión, óptica no lineal
Polímeros
Funcionalizados
131
Co-polímeros
132
Clase Propiedades Aplicación Estructura
Fenilvinilidenos Polvo estable con
estado neutral, soluble
en THF, CB, Benceno,
altamente
fluorescente.
OLEDs, OPVs
Clase Propiedades Aplicación Estructura
Tiofenos
Polvo estable con
estado neutral, soluble
en THF, CB, Benceno,
no fluorescente, con
alta movilidad
electrónica.
OPVs
Compuestos
representativos
133
Clase Propiedades Aplicación Estructura
Pirroles Película conductiva tipo
p, insoluble, obtenida por
electropolimerización.
Electrodo para
baterías y
biosensores
Clase Propiedades Aplicación Estructura
Etilendioxitiofeno
Solución acuosa, con
alta movilidad
electrónica.
Electrodo
transparente
conductivo
para OLEDs
y OPVs
Compuestos
representativos
Polímeros
Donadores
134
Fulerenos
Es un electro aceptor debido a varias caracteristicas:
-Posee un LUMO de baja energía, el cual puede
aceptar electrones desde un estado excitado de un
material del tipo donador. (termodinámicamente
favorecido)
-La relativa estabilidad para conservar electrones en
el LUMO, estabilizando la carga negativa. (oxígeno)
135
Fulerenos
136
Otros Aceptores
137
Mezcla de P3HT:PC61BM
Adv. Mater. 2009, 21, 1323–1338 138
139
Diseño de capa
activa
Características del polímero para la capa
activa:
- favorecer la formación de películas
- capacidad de absorción intensa
- movilidad de huecos
- niveles HOMO y LUMO disponibles para
poder interaccionar con los niveles del PCBM.
140
Diseño de capa
activa
Elección del polímero
141
Diseño general de los
polímeros
Cadenas hidrofóbicas
Esqueleto central
Con sistemas π-conjugados
Sustituyentes dentro
de la cadena principal
(características)
Macromolecules 2012, 45, 607−632 142
Polímeros atractivos
Chem. Mater. 2011, 23, 733–758 143
Efecto de las cadenas
alquílicas en los
polímeros
144
Polímero ideal
145
Fragmentos
donadores
146
Fragmentos donadores
147
Anillos de tres fusionados
como donadores
148
Elementos diferentes a
carbono
149
Aceptores fuertes
150
Estrategias
151
Estrategias: Síntesis de
fragmentos
152
Energy Environ. Sci., 2013,6, 711-718
Donadores: Estrategias:
Donadores
153
Aceptores: Estrategias:
Aceptores
154
Polímeros con estructura
quinoide
155
•Si-PCPDTBT 1.4 (gap) = 5.9 PSiF-DBT 1.82 (gap) = 5.4 = 6.6
SCH3
NO
OH CH3
O
S
Si
SCH3
CH3
CH3
hh
n
PCDTBT 1.9 (gap) = 6.1
PTPTBT 1.57 (gap) = 6.4
PBnDT-DTPyT 1.5 (gap) = 6.3 Chem. Mater. 2011, 23, 733–75
Nuevas estructuras de
polímeros
156
Síntesis de compuestos conjugados
158
Síntesis de compuestos conjugados
Suzuki
Arilación Directa
Síntesis de compuestos conjugados
Premio Nobel de
Química 2010
159
“…por el desarrollo de
métodos nuevos y más
eficientes para unir entre sí
átomos de carbono para
sintetizar las moléculas
complejas que mejoran la
vida diaria del hombre…"
Reacción catalítica
160
S. Y. Liu, H. Y. Li, M. M. Shi, X. L. Hu, W. Q. Li, L. Fu and H. Z. Chen, Macromolecules, 2012, 45, 9004–9009 161
Alternativas ecológicas
Z. L. Wu, A. Y. Li, B. H. Fan, F. Xue, C. Adachi and J. Y. Ouyang, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2011, 95, 2516–2523 162
Alternativas ecológicas
163
RMN-1H a
b
c
e
d f
O N
NHO
CH2
CH3
CH3
CH3
CH3CH
3
a
b
d
c
e
f
f
ff
Caracterización de compuestos
164
RMN-13C
a
b
c
d
e
i
O N
NHO
CH2
CH3
CH3
CH3
CH3CH
3
c
d
b f
g
k
l
j
ae
hm
n
i
c
c c
de
f
g h
n
j k
m
l
Caracterización de compuestos
165
Espectroscopía de masas
N
CN
Caracterización de compuestos
166
Espectroscopía FTIR
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 5000.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
978
C-H
Trans
3070
C-H
aromáticos1596
C=C
aromáticos2240
C=N
Re
fle
cta
ncia
(u
.a)
Longitud de onda (nm)
N
CN
Caracterización de compuestos
PDI= Mw
Mn
Caracterización física
167
GRACIAS
