Ternary blend ink formulations for fabricating organic solar cells via inkjet printing

par Thomas Kraft

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Bernard Ratier et de Jean-Michel Nunzi.

Soutenue le 27-05-2015

à Limoges en cotutelle avec Queen's university at Kingston , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Naraig Manjikian.

Le jury était composé de Bernard Ratier, Jean-Michel Nunzi, Thierry Trigaud, Anne Petitjean.

Les rapporteurs étaient Guillaume Wantz, Olivier Lebel.

  • Titre traduit

    Formulations ternaires d'encre de mélange pour fabriquer les piles solaires organiques par l'intermédiaire de l'impression de jet d'encre


  • Résumé

    L’objectif final de la thèse est l'impression de la couche photo-active ternaire d'une cellule solaire organique en utilisant deux approches: l'une concerne l'apport de nanotubes de carbone (SWCNT) pour améliorer les propriétés de transport, l'autre concerne la préparation de mélanges ternaires de matériaux pour contrôler la couleur des cellules. Les encres pour la couche active incluant des SWCNT fonctionnalisés sont composées d’un donneur d'électron (polymère) (poly(3-hexylthiophène), [P3HT]) et d’un accepteur d'électron ( [6,6]-phényl C61-butyrique ester méthylique d'acide [PCBM]) et ont été développées pour la fabrication de cellules inversées. Ces cellules sont réalisées sur substrats de verre pour l'optimisation de leurs performances, puis sur substrats plastiques pour les applications. Diverses couches d'interfaces ont été testées, qui incluent l'oxyde de zinc (ZnO, couches obtenues par pulvérisation ionique (IBS) ou à partir de solutions de nanoparticules) pour la couche de transport d'électrons et le PEDOT:PSS, le P3MEET, le V2O5 et le MoO3 pour la couche de transport de trous. Des essais ont été effectués avec et sans CNT afin d’étudier leur impact sur les performances. Des résultats similaires sont obtenus dans les deux cas. Il était attendu que les CNT améliorent les performances, ce qui n’a pas été observé pour le moment. Des travaux supplémentaires sont donc nécessaires au niveau de la formulation de la couche active.Avec trois polymères de couleur rouge (P3HT), bleu (B1) et vert (G1), nous avons préparé des mélanges ternaires efficaces permettant l'obtention de couleurs jusque là indisponibles . Nous avons fait une étude sur le piégeage et les mécanismes de diodes parallèles associés aux mélanges. En général, nous avons constaté que les mélanges ternaires de polymères bleu et vert peuvent être décrits par une mécanisme de diodes parallèles, sans entrainer de perte de performances, ce qui n'est pas possible pour les systèmes P3HT:B1 :PCBM et P3HT:G1:PCBM qui se piègent mutuellement. L’objectif final du projet est l'impression de la couche photo-active ternaire d'une cellule solaire organique, composites ternaires (polymère:polymères:acceptor) ou dopés avec les SWCNT. Cette étape nécessite encore des développements futurs.


  • Résumé

    Two approaches were followed to achieve increased control over properties of the photo-active layer (PAL) in solution processed polymer solar cells. This was accomplished by either (1) the addition of functionalized single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) to improve the charge transport properties of the device or (2) the realization of dual donor polymer ternary blends to achieve colour-tuned devices.In the first component of the study, P3HT:PC61BM blends were doped with SWCNTs with the ambition to improve the morphology and charge transport within the PAL. The SWCNTs were functionalized with alkyl chains to increase their dispersive properties in solution, increase their interaction with the P3HT polymer matrix, and to disrupt the metallic characteristic of the tubes, which ensures that the incorporated SWCNTs are primarily semi-conducting. P3HT:PCBM:CNT composite films were characterized and prepared for use as the photoactive layer within the inverted solar cell. The CNT doping acts to increase order within the active layer and improve the active layer’s charge transport properties (conductivity) as well as showed some promise to increase the stability of the device. The goal is that improved charge transport will allow high level PSC performance as the active layer thickness and area is increased, which is an important consideration for large-area inkjet printing. The use of ternary blends (two donor polymers with a fullerene acceptor) in bulk-heterojunction (BHJ) photovoltaic devices was investigated as a future means to colour-tune ink-jet printed PSCs. The study involved the blending of two of the three chosen donor polymers [red (P3HT), blue (B1), and green (G1)] with PC61BM. Through EQE measurements, it was shown that even devices with blends exhibiting poor efficiencies, caused by traps, both polymers contributed to the PV effect. However, traps were avoided to create a parallel-like BHJ when two polymers were chosen with suitable physical compatibility (harmonious solid state mixing), and appropriate HOMO-HOMO energy band alignment. The parallel diode model was used to describe the PV circuit of devices with the B1:G1:PC61BM ternary blend.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 27-05-2020

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