Kassel, Univ., Diss., 2008 / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2007

Köln, Universiẗat, Diss., 2002.

A series of donor-acceptor macrocyclic architectures comprising oligothiophene strands that connect the imide positions of a perylene bisimide have been synthesized via a platinum-mediated cross-coupling strategy. The target structures were characterized by steady-state UV/Vis absorption, fluorescence and transient absorption spectroscopy, as well as cyclic and differential pulse voltammetry. Crystal structure analysis of the macrocycles revealed insights into the bridge arrangements. The properties of the macrocyclic bridges were compared to linear oligothiophene reference compounds which itself exhibited an unusual electrochemical effect. / In der vorliegenden Dissertation wurde eine Reihe von Donor-Akzeptor Makrozyklen bestehend aus Oligothiophensträngen, welche die Imid-Positionen eines Perylenbisimids kovalent verbinden, in einer Platin-vermittelten Kreuzkupplungsreaktion synthetisiert. Die Zielstrukturen wurden anschließend mittels UV/Vis-, Fluoreszenz-und transienter Absorptionsspektroskopie, sowie zyklischer- bzw. Differential-Puls-Voltammetry charakterisiert. Ferner gewährten Kristallstrukturen von drei der insgesamt fünf Makrozyklen strukturelle Einblicke in die Oligothiophen-Brückengeometrie. Die photophysikalischen und elektrochemischen Eigenschaften der makrozyklischen Brücken wurden mit solchen linearer Oligothiophen-Referenzsystemen verglichen, welche selber ein ungewöhnliches Phänomen in der Elektrochemie aufwiesen.

Organische Solarzellen besitzen das Potential für leichte und zugleich flexible photovoltaische Anwendungen, die kostengünstig hergestellt werden können und damit einen Beitrag zur Verminderung der Emission von Kohlendioxid, Methan und Stickoxiden leisten können. Zur Herstellung von organischen Solarzellen werden nur geringe Mengen der organischen Materialien benötigt und die Prozessierung findet bei vergleichsweise geringen Temperaturen statt, was die Abscheidung auf z. B. Plastikfolie ermöglicht. Man unterscheidet drei Arten von organischen Solarzellen. Erstens, Solarzellen bestehend aus kleinen Molekülen, die im Vakuum durch Sublimation auf das Substrat abgeschieden werden. Zweitens, Polymersolarzellen, deren Schichten aus Lösung meist durch „spin-coating“ oder Druckverfahren präpariert werden. Und drittens, „dye-sensitized“ Solarzellen (auch Grätzel-Zellen), die aus einer porösen Schicht Titandioxid und einem flüssigen Elektrolyten für den Ladungsträgertransport bestehen. Diese Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit organischen Solarzellen aus kleinen Molekülen. Die höchsten erreichten Wirkungsgrade organischer Solarzellen aus kleinen Molekülen liegen derzeit bei etwa 5 % . Um die Effizienzen von Solarzellen aus kleinen Molekülen zu steigern, ist es einerseits notwendig das Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse innerhalb der Bauelemente genauer beschreiben zu können, andererseits werden neue Materialien mit optimierten Eigenschaften für die organische Photovoltaik benötigt. In dieser Arbeit wurden zwei Strategien zur Optimierung organischer Solarzellen verfolgt: • Durch die Optimierung des Versatzes der Energieniveaus der organischen Materialien konnte die Leerlaufspannung in einem Modellsystem maximiert werden. An diesem Modellsystem wurden der Ursprung der Leerlaufspannung und die Rekombinationsdynamik von photogenerierten Ladungsträgern untersucht. Bezüglich der Leerlaufspannung zeigen Solarzellen, deren photoaktive Materialien in einer Mischschicht vorliegen, im Vergleich zu Solarzellen, die eine photoaktive Doppelschicht beinhalten, fundamentale Unterschiede . • Des Weiteren wurden neue Thiophenderivate untersucht, die als aktive Materialien in organischen Solarzellen eingesetzt wurden. Durch elektronenziehende Endgruppen wurde das Ionisationspotential der Thiophenderivate abgesenkt und die optische Bandlücke verringert. Das Thiophenderivat DCV3T fungiert in Kombination mit herkömmlichen Donator-Materialien als Akzeptor. In Mischschichten aus DCV3T und C60 kommt es durch einen Hin- und Rücktransfer der Anregungsenergie zwischen den Materialien statt der Generation von freien Ladungsträgern zu einer Erhöhung der Triplett-Exzitonendichte auf DCV3T . Diese Exzitonen besitzen auf Grund der hohen Lebensdauer von Triplett-Exzitonen das Potential für eine erhöhte Exzitonendiffusionslänge, die in einem neuen Solarzellenkonzept ausgenutzt werden konnte . / Organic solar cells have the potential for light weight and flexible applications. They can be manufactured cost-effectively and can thus contribute to the reduction of the emission of carbon dioxide, methane and nitric oxides. In order to manufacture organic solar cells, only small amounts of organic materials are required. They can be processed at comparably low temperatures. Therefore, the fabrication on substrates like plastic foil is possible. Three different types of organic solar cells exist. The first kinds are solar cells prepared from small molecules that are manufactured via sublimation of the material in a vacuum. The second kind are polymer solar cells manufactured from solution by spin coating techniques or ink jet printing. And thirdly, dye sensitized solar cells - also known as Grätzel cells - consisting of a porous layer of titanium dioxide and most commonly a liquid electrolyte for the charge transport. This work deals exclusively with small molecule solar cells. The highest power conversion efficiencies reached by small molecule organic photovoltaics are now in the range of 5 %. In order to increase the efficiencies of solar cells prepared from small molecules, two major aspects must be developed. The understanding of the physical processes within the organic devices must be improved. And secondly, new materials are required with physical properties optimized for organic photovoltaics. In this work, I followed two strategies for optimizing organic solar cells: • By optimizing the offset of energy levels between donor and acceptor material, the open circuit voltage could be increased. In the investigated model system, the origin of the open circuit voltage and the recombination dynamics of photo generated charge carriers were analyzed. Concerning the open circuit voltage, solar cells consisting of a donor acceptor double layer structure, show fundamental differences to solar cells consisting of a donor acceptor blend. • Furthermore, new thiophene derivatives used as photoactive materials were investigated. By the attachment of electron withdrawing end groups, the ionization potential of the oligothiophenes is increased and the optical band gap is reduced at the same time. The investigated thiophene derivative DCV3T acts as an acceptor in combination with the commonly used donor-materials. A back- and forth-transfer of excitation energy is observed in blends of DCV3T and fullerene C60. In these blends, excitons are not separated into free charge carriers. This back and forth transfer leads to an enhancement of the density of triplet excitons on DCV3T. These excitons have a potentially high diffusion length due to the long lifetime of triplet excitons. This effect was utilized in the organic solar cells.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem elektrochemischen Verhalten verschiedener Ferrocenyl-substituierter Thiophene. Dabei wird sich zunächst mit dem elektrochemischen Verhalten der Serie der Ferrocenylthiophene beschäftigt, die Anzahl der Ferrocenyleinheiten variiert von n = 1 – 4. Die Abhängigkeit der elektronischen Eigenschaften von numerischen und konstitutionellen Veränderungen der redox-aktiven Gruppen wird evaluiert. Daraus resultierend wird sich einer eingehenderen Untersuchung und Modifikation des 2,5-Diferrocenylthiophen-Motivs zugewandt. Diese Modifikationen werden im Kontext möglicher Ladungstransferprozesse zwischen den Ferrocenyleinheiten in den verschiedenen Redoxzuständen und unter Beeinflussung durch den Thiophen-Brückenliganden diskutiert. Es folgen des Weiteren Ausführungen zu Substitutionen an den Ferrocenylen (Einführung elektronen-ziehender Funktionalitäten) sowie der Vergleich zwischen einer Thiophen- und der Ethylendioxythiophen-Brückeneinheit. Anschließend wird sich mit der elektronischen Variation des Brückenliganden durch die Einführung von N-haltigen Substituenten befasst. In den abschließenden Kapiteln wird der Einfluss zusätzlicher σ- (Fischercarben-Komplexe) oder π-gebundener ([Ru(η5-C5H5)]+/[Ru(η5-C5Me5)]+) Übergangsmetallkomplexfragmente auf Ladungstransferwechselwirkungen im 2,5-Diferrocenylthiophen in verschiedenen Redoxzuständen beleuchtet.

Organische Photovoltaik könnte zukünftig eine Möglichkeit zur Energiegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen darstellen. Der Vorteil besteht hier vor allen Dingen in dem Potential einer sehr kostengünstigen Herstellung, zum Beispiel einer Produktion im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, welche so auf flexiblen Substraten wie beispielsweise Folien erfolgen kann. Obwohl die Materialkosten gering sind, ist bis zu einer Kommerzialisierung Organischer Solarzellen unter anderem eine Erhöhung ihrer Leistungseffizienz notwendig. Vorzugsweise sollten in Organischen Solarzellen Donator- und Akzeptormaterialien verwendet werden, deren Absorptionsspektren und Energieniveaus ideal aufeinander abgestimmt sind, da so zum Beispiel hohe Leerlaufspannungen erreicht werden können. Zusätzlich können hohe Absorptionskoeffizienten der Materialien über einen großen spektralen Bereich zu hohen Stromdichten in diesen photovoltaischen Bauelementen führen. In dieser Arbeit werden neuartige Quinquethiophene als Donatormaterial in Organischen Solarzellen untersucht, welche als Grundeinheit aus fünf Thiophenringen sowie Dicyanovinylendgruppen und Alkylseitenketten bestehen. Die untersuchten Materialien besitzen einen hohen Absorptionskoeffizienten und erreichten auf Grund des hohen Ionisationspotentials hohe Leerlaufspannungen in Organischen Solarzellen unter Verwendung des Fullerens C60 als Akzeptor. Gleichzeitig tritt eine effiziente Trennung der Exzitonen an der Akzeptor-Donator-Grenzfläche auf. Jedoch stellt das hohe Ionisationspotential der Quinquethiophene spezielle Anforderungen an die weitere Solarzellenstruktur. Innerhalb dieser Arbeit wird gezeigt, dass ein Unterschied von eingebauter Spannung und Leerlaufspannung die Form der Solarzellen-Kennlinie entscheidend beeinflusst und eine S-Form in der Nähe der Leerlaufspannung erzeugen kann. Die eingebaute Spannung wird hierbei durch die Kontaktierung der photoaktiven Schichten bestimmt. Eine Erhöhung der eingebauten Spannung der Solarzelle kann durch eine entsprechende Materialwahl erreicht werden. So wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Organische Solarzellen basierend auf diesen Quinquethiophenen ohne energetische Barrieren für freie Ladungsträger innerhalb des Bauelements keine S-Form der Kennlinie aufweisen. Ebenfalls wird der Einfluss der unterschiedlichen Quinquethiophenderivate auf die Solarzellen-Charakteristik untersucht. Hierbei wird gezeigt, dass die Länge der Alkylseitenketten einen Einfluss auf die Löcherinjektion sowie die Löcherbeweglichkeit auf dem Oligothiophen hat, welches unter anderem auch die Form der Strom-Spannungs-Kennlinie beeinflusst. Abschließend wird die Möglichkeit der Verwendung dieser Materialklasse in Tandemsolarzellen gezeigt sowie der Vergleich von zwei unterschiedlichen Anodenmaterialien, beides wichtige Aspekte für eine kommerzielle Umsetzung.

Organische Solarzellen besitzen das Potential für leichte und zugleich flexible photovoltaische Anwendungen, die kostengünstig hergestellt werden können und damit einen Beitrag zur Verminderung der Emission von Kohlendioxid, Methan und Stickoxiden leisten können. Zur Herstellung von organischen Solarzellen werden nur geringe Mengen der organischen Materialien benötigt und die Prozessierung findet bei vergleichsweise geringen Temperaturen statt, was die Abscheidung auf z. B. Plastikfolie ermöglicht. Man unterscheidet drei Arten von organischen Solarzellen. Erstens, Solarzellen bestehend aus kleinen Molekülen, die im Vakuum durch Sublimation auf das Substrat abgeschieden werden. Zweitens, Polymersolarzellen, deren Schichten aus Lösung meist durch „spin-coating“ oder Druckverfahren präpariert werden. Und drittens, „dye-sensitized“ Solarzellen (auch Grätzel-Zellen), die aus einer porösen Schicht Titandioxid und einem flüssigen Elektrolyten für den Ladungsträgertransport bestehen. Diese Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit organischen Solarzellen aus kleinen Molekülen. Die höchsten erreichten Wirkungsgrade organischer Solarzellen aus kleinen Molekülen liegen derzeit bei etwa 5 % . Um die Effizienzen von Solarzellen aus kleinen Molekülen zu steigern, ist es einerseits notwendig das Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse innerhalb der Bauelemente genauer beschreiben zu können, andererseits werden neue Materialien mit optimierten Eigenschaften für die organische Photovoltaik benötigt. In dieser Arbeit wurden zwei Strategien zur Optimierung organischer Solarzellen verfolgt: • Durch die Optimierung des Versatzes der Energieniveaus der organischen Materialien konnte die Leerlaufspannung in einem Modellsystem maximiert werden. An diesem Modellsystem wurden der Ursprung der Leerlaufspannung und die Rekombinationsdynamik von photogenerierten Ladungsträgern untersucht. Bezüglich der Leerlaufspannung zeigen Solarzellen, deren photoaktive Materialien in einer Mischschicht vorliegen, im Vergleich zu Solarzellen, die eine photoaktive Doppelschicht beinhalten, fundamentale Unterschiede . • Des Weiteren wurden neue Thiophenderivate untersucht, die als aktive Materialien in organischen Solarzellen eingesetzt wurden. Durch elektronenziehende Endgruppen wurde das Ionisationspotential der Thiophenderivate abgesenkt und die optische Bandlücke verringert. Das Thiophenderivat DCV3T fungiert in Kombination mit herkömmlichen Donator-Materialien als Akzeptor. In Mischschichten aus DCV3T und C60 kommt es durch einen Hin- und Rücktransfer der Anregungsenergie zwischen den Materialien statt der Generation von freien Ladungsträgern zu einer Erhöhung der Triplett-Exzitonendichte auf DCV3T . Diese Exzitonen besitzen auf Grund der hohen Lebensdauer von Triplett-Exzitonen das Potential für eine erhöhte Exzitonendiffusionslänge, die in einem neuen Solarzellenkonzept ausgenutzt werden konnte . / Organic solar cells have the potential for light weight and flexible applications. They can be manufactured cost-effectively and can thus contribute to the reduction of the emission of carbon dioxide, methane and nitric oxides. In order to manufacture organic solar cells, only small amounts of organic materials are required. They can be processed at comparably low temperatures. Therefore, the fabrication on substrates like plastic foil is possible. Three different types of organic solar cells exist. The first kinds are solar cells prepared from small molecules that are manufactured via sublimation of the material in a vacuum. The second kind are polymer solar cells manufactured from solution by spin coating techniques or ink jet printing. And thirdly, dye sensitized solar cells - also known as Grätzel cells - consisting of a porous layer of titanium dioxide and most commonly a liquid electrolyte for the charge transport. This work deals exclusively with small molecule solar cells. The highest power conversion efficiencies reached by small molecule organic photovoltaics are now in the range of 5 %. In order to increase the efficiencies of solar cells prepared from small molecules, two major aspects must be developed. The understanding of the physical processes within the organic devices must be improved. And secondly, new materials are required with physical properties optimized for organic photovoltaics. In this work, I followed two strategies for optimizing organic solar cells: • By optimizing the offset of energy levels between donor and acceptor material, the open circuit voltage could be increased. In the investigated model system, the origin of the open circuit voltage and the recombination dynamics of photo generated charge carriers were analyzed. Concerning the open circuit voltage, solar cells consisting of a donor acceptor double layer structure, show fundamental differences to solar cells consisting of a donor acceptor blend. • Furthermore, new thiophene derivatives used as photoactive materials were investigated. By the attachment of electron withdrawing end groups, the ionization potential of the oligothiophenes is increased and the optical band gap is reduced at the same time. The investigated thiophene derivative DCV3T acts as an acceptor in combination with the commonly used donor-materials. A back- and forth-transfer of excitation energy is observed in blends of DCV3T and fullerene C60. In these blends, excitons are not separated into free charge carriers. This back and forth transfer leads to an enhancement of the density of triplet excitons on DCV3T. These excitons have a potentially high diffusion length due to the long lifetime of triplet excitons. This effect was utilized in the organic solar cells.

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Hybridsolarzelle, in der der anorganische Halbleiter Silizium, das organische Polymer und das Kontaktsystem so aufeinander abgestimmt sind, dass ihre Kombination zu einem Bauelement mit hohem Wirkungsgrad führt. Um dieses Ziel zu erreichen wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen. Neue Polymermaterialien, abgeleitet von dem prototypischen organischen Halbleiter poly(3-hexylthiophen 2,5 diyl) (P3HT), namentlich poly(3-[3,6-dioxaheptyl]-thiophen) (P3DOT) und poly(3-[2,5,8-trioxanonyl]-thiophen) (P3TOT), wurden umfassend hinsichtlich ihrer Struktur untersucht. Poly thiophen/c-Si hybride Solarzellen, hergestellt aus diesen neuen Polymeren, erreichten Effizienzen bis zu 11 %. Die vollständigen Banddiagramme dieser Poly thiophen/c-Si Hybridgrenzflächen wurden mittels Photoelektronenspektroskopie aufgenommen. Außerdem wurde der Einfluss des Kontaktsystems auf die darunter liegenden Schichten mittels Oberflächenspannungsspektroskopie untersucht. Das Resultat dieser Messungen weißt eine Inversionslage unter der Siliziumoberfläche nach, die sich aufgrund des verwendeten semitransparenten Metallkontaktes formt. Dadurch lassen sich diese Bauteile als MIS Inversionsschicht Solarzelle kategorisieren. Um die Hybridsolarzellen weiter zu verbessern, wurde versucht den semitransparenten Metallkontakt durch Graphen zu ersetzen. Das Graphen wurde durch einen CVD-Prozess gewachsen und erreichte eine laterale Ausdehnung von bis zu 1 cm2. Der Übertrag auf die Solarzelle erfolgte mittels eines Wasser und Zerstörungsfreiem Transferprozess. Trotz dem erfolgreichen Aufbringen des Graphen limitierte ein geringer Füllfaktor aufgrund der geringen Ladungsträgerdichte im Graphen den Wirkungsgrad der Solarzelle. In einem letzten Schritt wurde das Polymer P3HT zum ersten Mal mit polykristallinen Siliziumabsorbern kombiniert. Die invertierte Zellstruktur, die hierbei zu Anwendung kam, erhöhte die Lebensdauer der Solarzelle erheblich. / The scope of this thesis was the development of a hybrid solar cell based on silicon in which the inorganic semiconductor, the organic polymer and the contact system are combined in such a manner to result in a photovoltaic device with high power conversion efficiency. To reach this goal several measures were taken. New polymer materials derived from the prototypical organic semiconductor poly(3-hexylthiophene 2,5 diyl) (P3HT), namely poly(3-[3,6-dioxaheptyl]-thiophene) (P3DOT) and poly(3-[2,5,8-trioxanonyl]-thiophene) (P3TOT), were extensively characterized regarding its structural properties. Poly thiophene/c-Si hybrid solar cells fabricated from these new polymers exhibited power conversion efficiencies up to 11 %. The energy level alignment of these poly thiophene/c Si hybrid interfaces was studied using photoelectron spectroscopy. Furthermore, the influence of the contact system on the underlying wafer is investigated with surface photovoltage measurements. The measurements revealed the formation of an inversion layer beneath the silicon surface due to the semitransparent metal contact used in the devices. Therefore, these devices can be classified as MIS inversion layer solar cells. To further improve the hybrid poly thiophene/c-Si solar cells by substituting the semitransparent metal contact, graphene was implemented in the device design as a transparent front contact. The CVD grown graphene sheet had a lateral size of up to 1 cm2 and was applied onto the solar cell using a non-destructive and water-free transfer process. However, despite the successful transfer the power conversion efficiency was restricted by the low fill factor due to a low charge carrier density in the graphene. As a last step, hybrid solar cells in the combination P3HT/polycrystalline silicon absorbers on glass were fabricated for the first time. The inverted device structure used for these solar cells proved beneficial for the lifetime. These devices were stable for up to 3 months.

Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von organolöslichen Thiophen und Benzodithiophen basierten Materialien und ihrer Anwendung als aktive lochleitende Halbleiterschichten in Feldeffekttransistoren. Im ersten Teil der Arbeit wird durch eine gezielte Modifikation des Thiophengrundgerüstes eine neue Comonomer-Einheit für die Synthese von Thiophen basierten Copolymeren erfolgreich dargestellt. Die hydrophoben Hexylgruppen in der 3-Position des Thiophens werden teilweise durch hydrophile 3,6-Dioxaheptylgruppen ersetzt. Über die Grignard-Metathese nach McCullough werden statistische Copolymere mit unterschiedlichen molaren Anteilen vom hydrophoben Hexyl- und hydrophilem 3,6-Dioxaheptylgruppen 1:1 (P-1), 1:2 (P-2) und 2:1 (P-3) erfolgreich hergestellt. Auch die Synthese eines definierten Blockcopolymers BP-1 durch sequentielle Addition der Comonomere wird realisiert. Optische und elektrochemische Eigenschaften der neuartigen Copolymere sind vergleichbar mit P3HT. Mit allen Copolymeren wird ein charakteristisches Transistorverhalten in einem Top-Gate/Bottom-Kontakt-Aufbau erhalten. Dabei werden mit P-1 als die aktive Halbleiterschicht im Bauteil, PMMA als Dielektrikum und Silber als Gate-Elektrode Mobilitäten von bis zu 10-2 cm2/Vs erzielt. Als Folge der optimierten Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter wird eine Verbesserung der Luftstabilität der Transistoren über mehrere Monate festgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit werden Benzodithiophen basierte organische Materialien hergestellt. Für die Synthese der neuartigen Benzodithiophen-Derivate wird die Schlüsselverbindung TIPS-BDT in guter Ausbeute dargestellt. Die Difunktionalisierung von TIPS-BDT in den 2,6-Positionen über eine elektrophile Substitution liefert die gewünschten Dibrom- und Distannylmonomere. Zunächst werden über die Stille-Reaktion alternierende Copolymere mit alkylierten Fluoren- und Chinoxalin-Einheiten realisiert. Alle Copolymere zeichnen sich durch eine gute Löslichkeit in gängigen organischen Lösungsmitteln, hohe thermische Stabilität und durch gute Filmbildungseigenschaften aus. Des Weiteren sind alle Copolymere mit HOMO Lagen höher als -6.3 eV, verglichen mit den Thiophen basierten Copolymeren (P-1 bis P-3), sehr oxidationsstabil. Diese Copolymere zeigen amorphes Verhalten in den Halbleiterschichten in OFETs auf und es werden Mobilitäten bis zu 10-4 cm2/Vs erreicht. Eine Abhängigkeit der Bauteil-Leistung von dem Zinngehalt-Rest im Polymer wird nachgewiesen. Ein Zinngehalt von über 0.6 % kann enormen Einfluss auf die Mobilität ausüben, da die funktionellen SnMe3-Gruppen als Fallenzustände wirken können. Alternativ wird das alternierende TIPS-BDT/Fluoren-Copolymer P-5-Stille nach der Suzuki-Methode polymerisiert. Mit P-5-Suzuki als die aktive organische Halbleiterschicht im OFET wird die höchste Mobilität von 10-2 cm2/Vs erzielt. Diese Mobilität ist somit um zwei Größenordnungen höher als bei P-5-Stille, da die Fallenzustände in diesem Fall minimiert werden und folglich der Ladungstransport verbessert wird. Sowohl das Homopolymer P-12 als auch das Copolymer mit dem aromatischen Akzeptor Benzothiadiazol P-9 führen zu schwerlöslichen Polymeren. Aus diesem Grund werden einerseits Terpolymere aus TIPS-BDT/Fluoren/BTD-Einheiten P-10 und P-11 aufgebaut und andererseits wird versucht die TIPS-BDT-Einheit in die Seitenkette des Styrols einzubringen. Mit der Einführung von BTD in die Hauptpolymerkette werden insbesondere die Absorptions- und die elektrochemischen Eigenschaften beeinflusst. Im Vergleich zu dem TIPS-BDT/Fluoren-Copolymer reicht die Absorption bis in den sichtbaren Bereich und die LUMO Lage wird zu niederen Werten verschoben. Eine Verbesserung der Leistung in den Bauteilen wird jedoch nicht festgestellt. Die erfolgreiche erstmalige Synthese von TIPS-BDT als Seitenkettenpolymer an Styrol P-13 führt zu einem löslichen und amorphen Polymer mit vergleichbaren Mobilitäten von Styrol basierten Polymeren (µ = 10-5 cm2/Vs) im OFET. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Synthese von niedermolekularen organolöslichen Benzodithiophen-Derivaten. Über Suzuki- und Stille-Reaktionen ist es erstmals möglich, verschiedenartige Aromaten über eine σ-Bindung an TIPS-BDT in den 2,6-Positionen zu knüpfen. Die UV/VIS-Untersuchungen zeigen, dass die Absorption durch die Verlängerung der π-Konjugationslänge zu höheren Wellenlängen verschoben wird. Darüber hinaus ist es möglich, thermisch vernetzbare Gruppen wie Allyloxy in das Molekülgerüst einzubauen. Das Einführen von F-Atomen in das Molekülgerüst resultiert in einer verstärkten Packungsordnung im Fluorbenzen funktionalisiertem TIPS-BDT (SM-4) im Festkörper mit sehr guten elektronischen Eigenschaften im OFET, wobei Mobilitäten bis zu 0.09 cm2/Vs erreicht werden. / This work describes the synthesis and characterization of organo-soluble thiophene and benzodithiophene based materials and their application as hole-transporting active semiconductor layers in field effect transistors. The first part of this work introduces the targeted modification of the thiophene base unit, obtaining new comonomers for the corresponding copolymers. The hydrophobic hexyl groups in the 3-position of thiophene are partially replaced by hydrophilic 3,6-Dioxaheptyl groups. Using the Grignard metathesis developed by McCullough, statistical copolymers with different molar ratios of hydrophobic and hydrophilic side groups 1:1 (P-1), 1:2 (P-2) and 2:1 (P-3) are synthesized. Furthermore a defined blockcopolymer is synthesized by a sequential comonomer addition. Optical and electrochemical properties of the novel copolymers are comparable to the homopolymer P3HT. All copolymers show clearly transistor characteristics in a top-gate/bottom-contact configuration. Devices with P-1 as active semiconductor layer, PMMA as dielectric and silver as the gate electrode show mobilities up to 10-2 cm2/Vs. As a result of the optimized semiconductor and dielectric interface an improvement of the air stability of the transistors is observed for several months. The second part describes the synthesis of benzodithiophene based organic materials. For the synthesis of the novel benzodithiophene-derivatives the key intermediate TIPS-BDT is obtained in high yields. A difunctionalization of TIPS-BDT in 2,6-position is observed by electrophilic substitution reactions and provided the desired dibromo- and distannyl-monomers. Via Stille-reaction alternated copolymers with alkylated fluorene and quinoxaline groups are synthesized. All copolymers are soluble in common organic solvents, show high thermal stability and good film forming properties. Furthermore all copolymers have HOMO values above -6.3 eV and are more oxidation stable compared to the thiophene based copolymers (P-1 up to P-3). These copolymers show an amorphous behavior as semiconductor layer in OFETs and mobilities up to 10-4 cm2/Vs are observed. A correlation between the device performance and the tin amount in the polymer could be demonstrated. Hence the functional SnMe3 groups can act as traps, a tin amount higher than 0.6 % can negatively influence the mobility. Alternatively the alternated TIPS-BDT/Fluoren-copolymer P-5-Stille is polymerized by the Suzuki-Method. The highest mobility of 10-2 cm2/Vs is obtained with P-5-Suzuki as active semiconductor layer in OFET. In comparison to P-5-Stille this mobility is two orders of magnitude higher, because in P-5-Suzuki traps are minimized and the charge transfer is improved. The synthesis of homopolymer P-12 as well as the copolymer with aromatic benzothiadiazole P-9 resulted in insoluble polymers. For this reason terpolymers containing TIPS-BDT/Fluoren/BTD units are designed. Additionally an attempt has been made to introduce the TIPS-BDT unit in the side chain of styrene. The introduction of BTD in the conjugated main chain influences especially the absorption and electrochemical properties. Compared to TIPS-BDT/Fluoren-copolymer the absorption of the terpolymer is shifted to the visible region and the LUMO values decreased. An improvement in the device performance is not observed. A side chain polystyrene containing TIPS-BDT P-13 is synthesized successfully. The amorphous and soluble P-13 showed comparable mobilities (µ = 10-5 cm2/Vs) as known styrene based polymers. A further aim of this work is the synthesis of organo-soluble benzodithiophene based small molecules. Using Suzuki- and Stille-reactions different aromatic cores as endcappers are connected by σ-bonds at the 2,6-position of TIPS-BDT. UV/VIS-measurements show a red-shift of the absorption maxima with extension of the π-conjugated system. Furthermore it is possible to introduce thermal cross linkable allyloxy-groups. The F-atoms in the molecule lead to stronger intermolecular interactions in the solid state, which improves the electronic properties and lead to high mobilities up to 0.09 cm2/Vs for TIPS-BDT (SM-4).

ABSTRACT SYNTHESIS AND ELECTROCHROMIC PROPERTIES OF CONDUCTING POLYMERS OF SUCCINIC ACID BIS-(2-THIOPHEN-3-YL-ETHYL) ESTER AND THEIR USE IN ELECTROCHROMIC DEVICES Sa&ccedil / an, Lale M.Sc., Department of Chemistry Supervisor: Prof. Dr. Levent Toppare June 2006, 59 pages A new monomer / succinic acid bis-(2-thiophen-3-yl-ethyl)ester (SATE) was synthesized through the esterification reaction of 2-thiophen-3-yl-ethanol and succinyl chloride. The chemical structure of monomer was characterized via Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Electrochemical behaviors of SATE alone and SATE in the presence of thiophene were studied by cyclic voltammetry (CV). The synthesis of homopolymer and copolymer were achieved via constant potential electrolysis. Both homopolymer (PSATE) and copolymer [P(SATE-co-Th)] were characterized by various techniques including cyclic voltammetry, FTIR, Scanning Electron Microscopy (SEM), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermal Gravimetry Analysis (TGA) and UV-VIS Spectrophotometer. Conductivities of samples were measured by four probe technique. The electrochromic properties of the polymers were investigated via spectroelectrochemistry, colorimetry and switching studies. In addition, dual type electrochromic devices (ECDs) composed of PSATE, P(SATE-co-Th) and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) were constructed and evaluated. Spectroelectrochemistry, switching ability and stability of the devices were investigated by UV-Vis Spectrophotometer and Cyclic Voltammetry. They have shown to possess good switching times, reasonable contrasts, high stabilities and optical memories.