Anregungsprozesse von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen für Energieanwendungen

Abstract

Die zunehmende Klimaerwärmung erzwingt geradezu den Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien. Allerdings sind für den Ausbau der erneuerbaren Energien Materialien notwendig, deren Vorkommen auf der Erde begrenzt sind. Daher sind die Forschung nach geeigneten Substitutionsmaterialien und die Entwicklung von effizienten Energietechnologien ebenfalls notwendige Schritte. Der erste Abschnitt dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen als Substitutionsmaterialen für elektrochrome Fensteranwendungen, sogenannte „Smart Windows“. Als Smart Windows bezeichnet man Bauelemente zur Minimierung des Energieverbrauchs von Klimatisierungssystemen. Dabei nutzen sie die Eigenschaft eines Materials, sein Absorptions- oder Reflexionsverhalten aufgrund eines äußeren Einflusses wie beispielsweise durch Hitze, Licht oder eine externe Spannung reversibel zu ändern. Durch die geänderte Absorption bzw. Reflexion wird in Hitzephasen thermische Strahlung (infrarotes Licht) absorbiert bzw. reflektiert. So wird der Innenraum schwächer aufgeheizt. In dieser Arbeit werden elektrochrome Materialien für Smart Window-Anwendungen untersucht. Bei der Elektrochromie handelt es sich um eine Materialeigenschaft, bei der eine Substanz ihren Farbeindruck reversibel durch das Anlegen einer externen Spannung ändert. Die meisten kommerziellen elektrochromen Smart Windows bestehen aus zwei transparenten Elektroden. Mindestens eine Elektrode ist dabei mit einer elektrochromen Substanz beschichtet. Zwischen den transparenten Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, der einen Ladungstransfer ermöglicht. Die kommerziell am meisten genutzte elektrochrome Substanz ist Wolframoxid. Wolfram zählt allerdings zu den kritischen Materialien, deren natürliche Ressourcen begrenzt sind. Der Färbungsprozess in einem solchen elektrochromen Gerät findet aufgrund eines ionischen Interkalations-Prozesses statt, der mit einem Phasenübergang einhergeht. Vor einiger Zeit sind einige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe als elektrochrome Materialien vorgestellt worden. Der Mechanismus des Farbwechsels wurde auf einem reinen Elektronenanregungs-Prozess zurückgeführt. Dabei wurde für den Färbungsprozess postuliert, dass dieser auf der Femtosekunden Zeitskala stattfindet. Dieser Mechanismus ist damit deutlich schneller als der Farbwechsel auf Basis ionischer Interkalation. Die Ergebnisse des ersten Teils der vorliegenden Arbeit zeigen, dass der elektrochrome Färbungsprozess von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen nicht allein auf einem reinen Elektronenanregungs-Prozess basiert. Die eingesetzten elektrochromen Zellen verwenden Elektrolyten, die die elektrische Leitung gewährleisten. Der Einfluss des Elektrolyten auf den Färbungsmechanismus der polycyclisch aromatischen Kohlenwasserstoffe wurde dabei in der Literatur vernachlässigt. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wird der besagte Mechanismus auf eine ionische Abhängigkeit hin untersucht. Hier zeigt sich allerdings, dass die Elektrochromie von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen nicht allein auf einem Elektronenanregungs-Prozess zurückzuführen ist, sondern dass die chemische Umgebung maßgeblich am Färbeprozess beteiligt ist. Der Fokus des zweiten Abschnittes dieser Dissertation liegt auf der Untersuchung der optischen Anregungs- und Emissionsprozesse von 2,2‘-Diphenyl-9,9‘-Bifluorenyliden. 2,2‘-Diphenyl-9,9‘-Bifluorenyliden ist ein Derivat von 9,9‘-Bifluorenyliden, welches als vielversprechendes Elektronen-Donatormaterial für Photovoltaikanwendungen gilt und die Derivate des 9,9‘-Bifluorenyliden dementsprechend vielversprechende Photovoltaikmaterialien sind. Zudem handelt es sich bei 2,2‘-Diphenyl-9,9‘-Bifluorenyliden um ein Derivat des Fluorenyliden, welches eines der ersten Materialien ist, für das verzögerte Fluoreszenz gezeigt wurde und gilt deswegen als Kandidat für die kommende Generation organischer Leuchtdioden. Die Erforschung effizienter organischer Leuchtdioden-Materialien ist notwendig, da mit zunehmender Industrialisierung die Anzahl an verwendeten Leuchtmitteln zunimmt. Um den daraus resultierenden wachsenden Energieverbrauch entgegenzuwirken, ist die Entwicklung effizienterer Leuchtdioden eine wirkungsvolle Energiesparmaßnahme, um den weltweiten Energieverbrauch zu senken. Das 2,2‘-Diphenyl-9,9‘-Bifluorenyliden zeichnet sich dadurch aus, dass es stereoisometrisch in seine (E)-/ (Z)-Isomere auskristallisiert. Diese Arbeit zeigt, dass die optischen Anregungs- und Emissionsprozesse des 2,2‘-Diphenyl-9,9‘-Bifluorenyliden ein komplexes Verhalten aufweisen und die unterschiedlichen Emissionen durch inter- sowie intramolekulare Wechselwirkungen beeinflusst werden. Ziel der Untersuchung ist es zu identifizieren, ob das 2,2‘-Diphenyl-9,9‘-Bifluorenyliden für Photovoltaikanwendungen oder für den Einsatz in organische Leuchtdioden geeignet ist.