Method to determine the miscibility of organic semiconductors

Abstract

Aquest treball presenta el desenvolupament d’una metodologia experimental optimitzada i de baix cost per avaluar la miscibilitat entre materials semiconductors moleculars o polimèrics emprats en dispositius d’electrònica orgànica, com ara cel·les solars o sistemes fotocatalítics. L’objectiu és determinar amb precisió dos paràmetres fonamentals: els Hansen Solubility Parameters (HSP), que descriuen l’afinitat dels materials envers els dissolvents, i el paràmetre d’interacció de Flory-Huggins (χ), un indicador termodinàmic de compatibilitat entre fases. La metodologia es basa en la fabricació de thin films i la mesura sistemàtica de l’angle de contacte utilitzant mescles binàries de dissolvents bons i dolents. Mitjançant un llindar de 20° per definir la qualitat del dissolvent, es construeix una base de dades experimental que, processada amb el programari HSPiP, permet obtenir els valors HSP de manera eficient i amb un consum mínim de material. De manera complementària, es mesuren els angles de contacte amb dissolvents purs per calcular l’energia superficial de cada material mitjançant el model d’Owens-Wendt-Rabel-Kaelble, que serveix de base per estimar el paràmetre de Flory-Huggins. Aquest enfocament dual ofereix una alternativa robusta i accessible a les tècniques tradicionals, i esdevé una eina útil per al disseny racional de formulacions en materials optoelectrònics orgànics.

Este trabajo presenta el desarrollo de una metodología experimental optimizada y de bajo coste para la determinación de la miscibilidad entre materiales semiconductores moleculares y poliméricos utilizados en dispositivos de electrónica orgánica, como células solares o sistemas fotocatalíticos. El objetivo es la caracterización precisa de dos parámetros fundamentales: los Hansen Solubility Parameters (HSP), que definen la afinidad de disolución de los materiales, y el parámetro de interacción de Flory-Huggins (χ), indicador termodinámico de compatibilidad entre fases. La estrategia experimental se basa en la fabricación de thin films y la medición sistemática del ángulo de contacto frente a mezclas binarias de disolventes de distinta calidad. Mediante un umbral de 20° como criterio de buena disolución, se construye una base de datos experimental que, procesada mediante el software HSPiP, permite obtener los parámetros HSP de forma eficiente y con un consumo mínimo de material. De forma complementaria, se emplean disolventes puros para determinar la energía superficial de cada material mediante el modelo Owens-Wendt-Rabel-Kaelble, base para el posterior cálculo del parámetro de Flory-Huggins. Este enfoque permite cuantificar la miscibilidad entre pares donador-aceptor sin recurrir a técnicas complejas o costosas, proporcionando una herramienta útil para el diseño racional de formulaciones en optoelectrónica orgánica.

This work presents the development of an optimized, cost-effective experimental methodology for evaluating the miscibility between molecular and polymeric semiconductor materials used in organic electronics, such as photovoltaic or photocatalytic devices. The aim is to accurately determine two key parameters: the Hansen Solubility Parameters (HSP), which describe solvent–material affinity, and the Flory-Huggins interaction parameter (χ), a thermodynamic predictor of phase compatibility. The approach relies on the fabrication of thin films and systematic contact angle measurements using binary mixtures of good and poor solvents. Using a 20° threshold to classify solvent quality, an experimental dataset is generated and processed with HSPiP software to derive the HSP values with high reliability and minimal material usage. Additionally, contact angles with pure solvents are used to compute the surface energy of each material via the Owens-Wendt-Rabel-Kaelble model, enabling the calculation of the Flory-Huggins interaction parameter. This dual methodology offers a robust and accessible alternative to traditional techniques, facilitating rational formulation design in the field of organic optoelectronic materials.