Matériaux « uniques » pour cellules solaires organiques mono-composant

« Unique » materials for single-component organic solar cells

• Auteur / Autrice : Antoine Labrunie
• Direction : Philippe Blanchard, Clément Cabanetos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/12/2017
• Etablissement(s) : Angers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Moltech Anjou (Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers) - institut des sciences et technologies moléculaires d'Angers / MOLTECH ANJOU
• Jury : Président / Présidente : Muriel Hissler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Pellegrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Manuel Raimundo, Nicolas Leclerc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fullerènes

Chimie click

Synthèse organique

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Photovoltaïque organique

Synthèse organique

Cellules solaires mono-Composant

Oligothiophène

Push-Pull

Multimères

Organic photovoltaics

Organic synthesis

Singlematerial solar cells

Click Chemistry

Oligothiophenes

Push-Pull

Fullerenes

Multimers

Résumé

Au cours des dernières années, le développement des cellules organiques à réseaux interpénétrés a permis d’améliorer les rendements de conversion photovoltaïque (PV). Ces dispositifs incorporent une couche active constituée d’un mélange d’un matériau donneur d’électron (D) et d’un matériau accepteur d’électron (A). La réalisation de ces cellules requiert une optimisation minutieuse de ce mélange et de la morphologie de cette couche photo-active qui en résulte. Cette dernière peut cependant évoluer spontanément vers une ségrégation de phase, généralement délétère pour les performances PV. Une solution possible, et relativement peu étudiée, consiste à lier chimiquement le donneur D et l’accepteur A par un espaceur non-conjugué. Les travaux décrits dans ce manuscrit portent sur la synthèse et la caractérisation d’assemblages moléculaires de type D-σ-A ainsi que leur utilisation comme matériau dit « unique » pour la fabrication de cellules solaires organiques mono composant. Une première famille de dyades et triades à base d’un bloc donneur de type quaterthiophène a été étudiée. Cette partie décrit la méthodologie générale d’assemblage des blocs D et A via une réaction de cycloaddition de type Huisgen. Au cours des chapitres suivant, plusieurs dyades basées sur un bloc donneur « push-pull » ont été synthétisées puis caractérisées. Les performances PV de ces composés ont été évaluées au sein de cellules solaires mono-composant et les meilleurs rendements de conversion, atteignant 1.4 %, rivalisent avec l’état de l’art.

Over the last few years, the development of bulk heterojunction organic solar cells (BHJ OSCs) led to significant increase in photovoltaic (PV) efficiency. Such devices are based on interpenetrated networks of an electron-donor material (D) and an electron-acceptor material (A) constituting the active layer. Nevertheless a careful optimization of the morphology is required to reach high power conversion efficiency. Furthermore, this optimized morphology can evolve towards spontaneous phase segregation which can be detrimental for the PV performances. To circumvent these limitations, a relatively unexplored approach relies on the use of a material where the donor and the acceptor moieties are covalently linked to each other through a nonconjugated π-connector. In this context, the work reported herein describes the synthesis and characterization of various molecular D-σ-A assemblies, as well as their preliminary evaluation as “unique” material for the realisation of single component organic solar cells (SC-OSCs). A first family of dyads and triads, based on quaterthiophene moieties as donor block, was studied. A general methodology to assemble the two D and A blocks via a Huisgen-type click-chemistry is described. Then, in the next chapters, several dyads based on a “push-pull” donor block have been synthesized and characterized. The PV performances of these compounds have been evaluated in SC-OSCs leading to power conversion efficiency up to 1.4 %, a value close to the state of the art.