Identification of the degradation mechanisms of organic solar cells : active layer and interfacial layers

par Isabel Fraga Dominguez

Thèse de doctorat en Chimie-Physique

Sous la direction de Agnès Rivaton.

Le président du jury était Brian Tighe.

Le jury était composé de Agnès Rivaton, Pierre-Olivier Bussière, Paul D. Topham, Sylvain Chambon, Philip Davies.

Les rapporteurs étaient Laurence Lutsen, Natalie Stingelin-Stutzmann.

  • Titre traduit

    Identification des mécanismes de dégradation des cellules solaires organiques : couche active et couches interfaciales


  • Résumé

    La faible durée de vie des cellules solaires organiques constitue un frein à leur développement commercial. Dans ce contexte, ce travail de thèse a été consacré à l’amélioration de la résistance mécanique des cellules d’une part, et d’autre part à l’étude de leur stabilité chimique sous l’impact de la lumière. Concernant le premier axe de recherche, nous avons proposé la synthèse de nouveaux copolymères à blocs (P3HT-b-P(R)SS) susceptibles d’améliorer l’adhésion entre la couche active (P3HT:PCBM) et la couche qui transporte les trous (PEDOT:PSS) dans des dispositifs inverses. Puis, concernant le second axe de recherche, à savoir l’amélioration de la résistance à la lumière de la couche active des cellules, nous avons élucidé les mécanismes de dégradation des polymères et identifié celles de leurs propriétés physico-chimiques impactant leur stabilité. En combinant techniques analytiques et modélisation, il a tout d’abord été possible d’identifier les points faibles d’un polymère modèle, le Si-PCPDTBT. Puis, dans l’objectif d’établir une relation structure-stabilité, l’effet de la variation systématique du squelette conjugué et de la chaîne latérale du polymère a été étudié. Finalement, une analyse multi-échelle a été mise en oeuvre, allant de la stabilité de la couche active jusqu’à celle de la cellule solaire correspondante. Il a alors été montré qu’en choisissant judicieusement les matériaux de la couche active, les couches interfaciales, l’architecture et l’encapsulation des cellules, il était tout à fait possible d’atteindre des durées de vie supérieures à trois ans sans perte significative de performance électrique des dispositifs.


  • Résumé

    The commercial application of Organic Solar Cells is limited by their short operational lifetimes. In this context, this work has been devoted to the improvement of both the mechanical resistance of these devices and their chemical stability when exposed to light. Concerning the former, the synthesis of P3HT-b-P(R)SS block copolymers as adhesive materials has been proposed to improve adhesion between the active layer (P3HT:PCBM) and the hole transport layer (PEDOT:PSS) in inverted devices. In order to improve the photochemical resistance of the active layer, the second main objective of this project was to identify both polymer degradation pathways and the properties determining polymer stability. Firstly, analytical techniques and modelling have been employed to identify the weak structural points in model low bandgap polymer, Si-PCPDTBT. Then, a series of polymers with systematically modified backbones and/or alkyl side chains has been studied with the aim of establishing a relationship between chemical structure and stability. Finally, multiscale analysis was undertaken on the degradation of solar cells, going from the stability of separate active layers to that of complete devices. It was shown that judicious selection of device layers, architectures, and encapsulation materials, can lead to operational lifetimes over three years with no efficiency losses.


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