Matériaux polymères pour cellule solaire photovoltaïque organique : vers un nouveau procédé de mise en forme par extrusion de multicouches

Polymeric materials for organic photovoltaic solar cell : toward a new processing method by extrusion for multilayers production

• Auteur / Autrice : Ali Nourdine
• Direction : Nicole Albérola, Lara Perrin, Lionel Flandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de l'énergie solaire (Le Bourget-du-Lac, Savoie) - Laboratoire Matériaux Organiques à Propriétés Spécifiques (Chambéry199.-2011)
• Jury : Président / Présidente : Christian Carrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Leclerc, Stéphane Guillerez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Carrot, Jean-Michel Nunzi, Alain Dufresne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion

Polymères

Cellules solaires polymères

Mots clés libres

Cellule solaire photovoltaïque organique

Nano-multicouche

Extrusion

Morphologie

Poly(3-octylthiophène)

Polystyrène greffé fullerène C60

Organic photovoltaic solar cell

Nano-multilayer

Extrusion

Morphology

Poly(3-octylthiophene)

Polystyrene grafted fullerene C60

Résumé

Les performances des cellules solaires photovoltaïques organiques dépendent de la morphologie de la couche active et de l’organisation des deux matériaux donneur et accepteur utilisés. L’optimisation de celles-ci implique un accroissement de la surface de l’interface donneur/accepteur et la maîtrise de la taille des domaines. Une nouvelle approche pourrait consister à réaliser une organisation forcée sous forme de nano-multicouches de deux polymères donneur et accepteur. Le travail présenté dans cette thèse s’intègre dans un projet à plus long terme qui est la mise au point d’un nouveau procédé sans solvant pour l’élaboration de cellules solaires photovoltaïques organiques nano-multicouches de type polymère donneur/polymère accepteur : l’extrusion. L’objet de cette thèse a consisté à choisir, synthétiser et étudier deux polymères photo-actifs donneur et accepteur « extrudables » et utilisables en cellules solaires : le poly(3-octylthiophène) comme polymère donneur et le polystyrène greffé par un taux optimisé en fullerène C60 comme polymère accepteur. Les travaux ont été réalisés au sein de l’Institut National de l’Energie Solaire (INES), et se sont déroulés en trois phases. La première partie du travail a consisté à synthétiser et caractériser une série de polymères accepteurs avec différents taux de C60. Puis, outre l’étude des propriétés physicochimiques, nous nous sommes intéressés à leurs propriétés photovoltaïques (mesures de mobilité, tests en cellules solaires). Enfin, leurs comportements rhéologiques ainsi que leurs températures caractéristiques ont été étudiés afin de vérifier leur capacité de mise en œuvre et d’assemblage par extrusion

The performance of organic photovoltaic solar cells depends on the active layer morphology and the arrangement of the donor and acceptor. Increasing the amount of donor/acceptor interface and reducing the size of the domains optimize the photovoltaic efficiencies. A new approach could consist in using nano-multilayers of donor and acc¬¬¬eptor polymers by forced assembly. The work presented in this thesis is part of a broader project, which consists in developing a new solvent-free process for production of nano-multilayers organic solar cells alternating donor and acceptor layers. More specifically, the aim of this thesis was to select, synthesize and study photoactive and extrudable donor and acceptor polymers. Poly(3-octylthiophene) was chosen as the donor polymer and polystyrene grafted by an various percentage of fullerene C60 as the acceptor polymer. This work was realised at the National Institute of Solar Energy (INES), and was organized in three steps. The first part focused on synthesis and characterization of various acceptor polymers with different percentages of C60. Both physicochemical and photovoltaic properties (electron mobility, tests in solar cells) were characterized. Finally, the rheological behaviour and characteristic temperatures were studied to confirm their plausible processability by extrusion