π-conjugated organic semiconductor materials for molecular electronics: sustainable synthesis and properties

The growing global energy demand has generated an urgent need for more sustainable sources of energy production, storage, and use. In this context, the research is aiming at the generation of new materials based on a simpler and more environmentally friendly chemistry. The study of fundamental chemistry is essential to reach this aim, as it provides the basic knowledge for understanding the chemical processes at the basis of widely used technologies such as photovoltaic cells and light-emitting devices. This work aims to highlight a rational approach to molecular design, eco-sustainable synthesis and characterization of novel conjugated organic materials for different applications in optoelectronics. The first part provides a focus on the Direct arylation polymerization (DArP) as a facile synthetic tool for the preparation of high-quality conjugated polymers through an atom-economical C−H activation pathway. In this regard, the compatibility of the most advantageous synthetic protocols based on the C-H bond activation in different "green" solvents has been studied in order to explore environmentally sustainable reaction conditions in the context of transition metal catalysed polymerizations for the synthesis of π-conjugated materials. The second part of the research is based on a rational approach of molecular design, synthesis and characterization of novel and structurally simplified organic molecules conceived for applications such as Hole-Transporting-Materials, low-cost and dopant-free for Perovskite Solar Cells (PSCs). The role of a specific match between the perovskite and Hole-Transporting-Materials in order to attain stable Perovskite Solar Cells (PSCs) via effective bonding will be discussed, as well as how these aspects are crucial to preserve the photovoltaic efficiencies for long times under ambient conditions. Lastly, the potentialities of π-conjugated organic materials were exploited in this work with the aim to contribute at the development of suitable molecular design strategies, synthesis and characterization of novel molecular systems potentially exploitable as luminophores in OLED devices with thermally activated delayed fluorescence (TADF). In addition to synthesis, the thermal, photophysical and electrochemical properties of the synthesized molecules have also been studied in order to provide a deeper insight into the structure-property relationships governing the modification of the photophysical properties of these materials. The presence of charge transfer states inherent in the designed molecules, confers the new organic materials very interesting optical properties, still the subject of my study, of potential application interest in various areas of organic electronics such as the aforementioned OLED, but also in bioimaging and sensing.

La crescente domanda globale di energia ha generato un urgente bisogno di fonti più sostenibili di produzione, stoccaggio ed impiego dell'energia. In questo contesto, la ricerca mira alla generazione di nuovi materiali basati su una chimica semplificata e rispettosa dell'ambiente. Lo studio della chimica di base è essenziale per raggiungere questo obiettivo, in quanto fornisce i fondamenti delle conoscenze per comprendere i processi chimici alla base di tecnologie ampiamente utilizzate come le celle fotovoltaiche ei dispositivi ad emissione di luce. Questo lavoro mira ad evidenziare un approccio razionale alla progettazione molecolare, alla sintesi ecosostenibile e alla caratterizzazione di nuovi materiali organici coniugati per diverse applicazioni in optoelettronica. La prima parte fornisce un focus sulla polimerizzazione ad arilazione diretta (DArP) come strumento sintetico versatile per la preparazione di polimeri coniugati di alta qualità attraverso protocolli di attivazione del legame C-H economicamente vantaggiosi. In questo quadro, è stata studiata la compatibilità di protocolli sintetici sostenibili basati sull'attivazione del legame C-H in differenti solventi "green" al fine di esplorare condizioni di reazione ecosostenibili nell'ambito di polimerizzazioni catalizzate da metalli di transizione per la sintesi di materiali π-coniugati. La seconda parte della ricerca è focalizzata su un approccio razionale di progettazione molecolare, sintesi e caratterizzazione di innovative molecole organiche, strutturalmente semplificate, concepite per applicazioni quali "Hole-Transporting-Materials", a basso costo e "dopant-free" per celle solari perovskitiche (PSC ). Verrà discusso il ruolo di una corrispondenza specifica tra la perovskite e i materiali trasportatori di lacune al fine di sviluppare celle solari perovskitiche (PSC) stabili instaurando un legame efficace, nonché come questi aspetti siano cruciali per preservare le efficienze fotovoltaiche per lunghi periodi in condizioni ambientali. Infine, in questo lavoro sono state sfruttate le potenzialità dei materiali organici π-coniugati con l'obiettivo di contribuire allo sviluppo di adeguate strategie di progettazione molecolare, sintesi e caratterizzazione di nuovi sistemi molecolari potenzialmente impiegabili come luminofori in dispositivi OLED con fluorescenza ritardata attivata termicamente (TADF ). Oltre alla sintesi, sono state studiate anche le proprietà termiche, fotofisiche ed elettrochimiche delle molecole sintetizzate al fine di fornire una visione più approfondita delle relazioni struttura-proprietà che governano la modulabilità delle proprietà fotofisiche di questi materiali. La presenza di stati di trasferimento di carica insiti nelle molecole progettate, conferisce ai nuovi materiali organici proprietà ottiche molto interessanti, tuttora oggetto del mio studio, di potenziale interesse applicativo in vari ambiti dell'elettronica organica come i già citati OLED, ma anche nel bioimaging e nella sensoristica.