Novel semiconducting materials for high-performance organic transistors and solar cells

Abstract

In the first chapter, we review the historical and recent advances in the design and implementation of indenofluorene (IF)-based semiconductors in organic transistor and solar cell devices. In the second chapter, a series of n-type ambient-stable and solution- processable TIFDMT-based semiconducting molecules, β,β'-C8-TIFDMT, β,β'-C12- TIFDMT, and β,β'-C16-TIFDMT are reported. By utilizing alkyl chain engineering in TIFDMT-based molecules and semiconductor-dielectric interface engineering through PS-brush treatment onto the dielectric surface in their OFET devices, we optimize the semiconductors' morphologies and thin-film molecular packing motifs to attain high- performance OFETs. The PS-brush treated OFETs demonstrate high device performance with μe = 0.9 cm2/V.s and Ion/Ioff ratio = 107-108. In the third chapter, we demonstrate the design, synthesis, and characterizations of two novel meso-π-extended/-deficient BODIPY building blocks (2OD-T2BDY and 2OD-TTzBDY), a library of low band gap (Eg = 1.30-1.35 eV) donor-acceptor copolymers based on these building blocks, and the utilization of the D-A copolymers as donor materials in the bulk heterojunction organic photovoltaics. Power conversion efficiencies of up to 4.4% with a short-circuit current of 12.07 mA cm-2 are achieved. The findings of this thesis on molecular engineering and optoelectronic properties are unique and may provide critical insights into the future development of high performance materials for unconventional optoelectronics.

İlk bölümde, organik transistör ve güneş pili cihazlarında indenofloren (IF) bazlı yarı iletkenlerin tasarımı ve uygulanmasındaki tarihsel ve son gelişmeleri, ayrıca kimyasal yapı-moleküler özellikler-yarı iletkenlik ilişkilerini araştırdık ve raporladık. İkinci bölümde, bir dizi n-tipi havada kararlı ve çözelti ile işlenebilir TIFDMT-temelli yarı iletken moleküller olan β,β'-C8-TIFDMT, β,β'-C12-TIFDMT ve β,β'-C16- TIFDMT rapor edilmektedir. TIFDMT-temelli moleküllerde alkil zincir mühendisliğini ve OFET cihazlarında dielektrik yüzeye PS-fırça işlemi ile yarı iletken- dielektrik arayüz mühendisliğini kullanarak, yarı iletkenlerin morfolojilerini ve ince film moleküler istiflenme motiflerini iyileştirmeye çalışarak yüksek performanslı OFET'ler elde etmeye çalıştık. PS-fırça ile işlenmiş OFET'ler μe (maks) = ~ 0.9 cm2/V.s ve Ion/Ioff oranı = 107-108 elde ettik. Üçüncü bölümde, iki yeni mezo-π-genişletilmiş/-eksik BODIPY yapı bloklarının (2OD-T2BDY ve 2OD-TTzBDY) ve bu yapı taşlarına dayalı düşük bant aralılıklı (Örn: 1.30-1.35 eV) donör-alıcı kopolimerlerin sentezi, optoelektronik/fizikokimyasal karakterizasyonları ve toplu hetero-eklem organik fotovoltaiklerde donör malzeme olarak bu D-A kopolimerlerin kullanımı raporlanmaktadır. Bu OPV cihazlarından 12.07 mA cm-2 kısa devre akımıyla %4,4'e varan güç dönüştürme verimliliği elde edildi. Bu çalışma, π-alıcı BODIPY'leri için meso-π-genişletme stratejisinin bulunduğunu ortaya koymaktadır.