Fabrication et caractérisation de cellules solaires à base de polymères organiques low-bandgap nanostructurés

Fabricação e caracterização de células solares baseadas em polímeros orgânicos low-bandgap nanoestruturados

Fabrication and characterization of organic solar cells based on nanostructured low-bandgap polymers

• Auteur / Autrice : Edilene Assunção da Silva
• Direction : Christine Dagron-Lartigau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des polymères
• Date : Soutenance le 05/07/2018
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Universidade estadual paulista (São Paulo, Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires polymères

Mots clés libres

Polymères low-bandgap

Langmuir-Schaefer

Mesures électriques

Dispositifs photovoltaïques organiques

Polímeros low-bandgap

Langmuir-Schaefer

Medidas elétricas

Dispositivos fotovoltaicos orgânicos

Low-bandgap polymers

Langmuir-Schaefer

Electrical measurements

Organic photovoltaic devices

Résumé

Les cellules solaires polymériques attirent un grand intérêt dans ce domaine de recherche, en raison du faible coût, du procédé de fabrication de grandes surfaces, des matériaux de manutention légers et de la possibilité de leur fabrication par diverses techniques. Pour une bonne efficacité des dispositifs photovoltaïques, la couche active doit contenir une bonne absorption de la lumière du soleil. En termes de bandgap,cela signifie que plus le bandgap est petit, plus le flux de photons absorbés est grand. Une manière d'accomplir ceci avec les matériaux polymères est la synthèse d'un copolymère alterné dans lequel le bandgap optique est diminué, ce que l'on appelle des polymères low-bandgap. L'organisation joue un rôle important dans la performance des dispositifs, y compris les dispositifs photovoltaïques, et la technique Langmuir-Schaefer (LS) permet de fabriquer des films nanostructurés avec contrôle de l'épaisseur, qui peuvent servir de base pour construire de meilleurs dispositifs. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail était de synthétiser des polymères low-bandgap et ensuite de fabriquer et caractériser des films LS de ces polymères et leurs mélanges avec un dérivé de fullerène, le PCBM, pour leur application en tant que couche active de cellules solaires. Les films LS des polymères et leurs mélanges avec PCBM ont été fabriqués et des mesures de caractérisation ont été effectuées. Ces films ont été caractérisés par des mesures électriques (courant vs tension, spectroscopie d'impédance et voltampérométrie cyclique), morphologiques (microscopie à force atomique) et optiques (UV-visible, diffusion Raman et transmission infrarouge). Par les films de Langmuir et les mesures morphologiques, il a été possible d'observer les caractéristiques spécifiques concernant la conformation de chaque polymère sous forme de film. Des mesures optiques confirment l'absorption aux longueurs d'onde élevées attendues pour ces polymères. Dans les mesures électriques, les résultats ont montré des conductivités différentes pour les mêmes matériaux lorsque les types d'électrodes ont été changés. Les dispositifs photovoltaïques des films LS fabriqués n'ont pas atteint de bonnes valeurs d'efficacité. Les films spin-coating de ces polymères testés en tant que couche active des dispositifs, sous atmosphère contrôlée, ont montré unefficacité allant jusqu'à 0,6%.

Células solares poliméricas atraem grande interesse nessa área de pesquisa, devido ao baixo custo, processo de fabricação de grandes áreas, materiais de manuseio leves e a possibilidade de sua fabricação por diversas técnicas. Para uma boa eficiência dos dispositivos fotovoltaicos, a camada ativa deve conter uma boa absorção da luz solar. Em termos de bandgap, isto quer dizer que quanto menor o bandgap maior o fluxo de fótons absorvidos. Uma maneira de realizar isto com os materiais poliméricos é a síntese de um polímero no qual o bandgap óptico tem a capacidade de aumentar a captura da luz solar, os chamados polímeros low-bandgap. A organização possui um papel importante na performance de dispositivos, inclusive dos fotovoltaicos, e a técnica Langmuir-Schaefer (LS) proporciona a capacidade de fabricar filmes nanoestruturados e com controle de espessura, podendoservir de base para construção de melhores dispositivos. Dentro deste contexto, o objetivo deste trabalho foi sintetizar polímeros low-bandgap e, posteriormente fabricar e caracterizar filmes LS destes polímeros e de suas blendas com um derivado de fulereno, o PCBM, para a aplicação dos mesmos como camada ativa de células solares. Foram fabricados filmes LS dos polímeros e de suas misturas com PCBM e realizadas medidas de caracterização. Estes filmes foram caracterizados por meio de medidas elétricas (corrente vs. Tensão, espectroscopia de impedância e voltametria cíclica), morfológica (microscopia de força atômica) e óptica (Ultravioleta-Visível, Espalhamento Raman e transmissão no infravermelho). Com os filmes de Langmuir e as medidas morfológicas foi possível observar as características específicas de como é a conformação de cada polímero na forma de filme. As medidas ópticas confirmam a absorção em altos comprimentos de onda esperados para estes polímeros. Nas medidas elétricas os resultados mostraram diferentes condutividades para os mesmos materiais quando mudado os tipos de eletrodos. Os dispositivos fotovoltaicos dos filmes LS fabricados não alcançaram bons valores de eficiência. Filmes spin-coating destes polímeros testados como camada ativa dos dispositivos, em atmosfera controlada, revelaram eficiência de até 0.6%.

Polymeric solar cells attract great interest in this area of research due to the potential low cost, large area fabrication process, light weight physical feature and the possibility of fabricating these cells by several techniques. To achieve good efficiency in the photovoltaic devices the active layer must have an efficient absorption of sunlight. In terms of bandgap, this means that the smaller the bandgap the greater the flux of photons absorbed. One way to accomplish this, with the polymeric materials, is the synthesis of a polymer in which the optical bandgap has the ability to increase the capture of sunlight, the so-called low-bandgap polymers. The organization plays an important role in the performance of devices, including in photovoltaic devices, and the Langmuir-Schaefer (LS) technique provides the ability to manufacture nanostructured films with thickness control, which can serve as a basis for building better devices. In this context, the aim of this work was to synthesize low-bandgap polymers for later manufacturing and characterization of LS films of these polymers and their blends with a fullerene derivative, PCBM, and test them as active layer of solar cells. LS films of such polymers and their blends with PCBM were made and characterization measurements were performed. These films were characterized by electrical (current vs. voltage, impedance spectroscopy and cyclic voltammetry), morphology (atomic force microscopy) and optical (ultraviolet-visible, Raman scattering and infrared) measurements. Through the Langmuir films and the morphological measurements, it was possible to observe the specific characteristics of how it is the conformation of each polymer in film form. Optical measurements confirmed the absorption at high wavelengths expected for these polymers. In the electrical measurements the results showed different conductivities for the same materials when the types of electrodes were changed. The photovoltaic devices manufactured from LS technique have not reached good efficiency values. When spin-coated active layers were teste as OPV devices in a controlled atmosphere the efficiency achieved up to 0.6%.