Synthèse et application en cellules solaires organiques de nouveaux copolymères à base de poly(3-hexylthiophène)

Synthesis and photovoltaic applications of novel copolymers based on poly(3-hexylthiophene)

• Auteur / Autrice : Harikrishna Erothu
• Direction : Éric Cloutet, Henri Cramail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des polymères
• Date : Soutenance le 25/02/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Piétrick Hudhomme, Laurence Vignau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Lutsen, Michael Turner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Copolymères

Mots clés libres

Cellules photovoltaïques organiques

Copolymères à blocs rigide-flexible

Poly(3-hexylthiophène) régiorégulier (rr-P3HT)

Polymérisation GRIM

Poly(3-hexylthiophène) fonctionnel

Morphologie

Compatibilisation

Organic photovoltaic cells

Rod-coil block copolymers

Regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT)

GRIM polymerization

Functional poly(3-hexylthiophene)

Controlled radical polymerization

Anionic polymerization

C60 grafting

Nano-structuration

Résumé

Dans cette étude, des copolymères à blocs rigide-flexible comprenant des segments donneur [poly(3-hexylthiophène) régiorégulier, (rr-P3HT)] et accepteurs d’électrons (C60) ont été synthétisés. L’auto-assemblage en masse de ces copolymères à blocs avait pour objectif d’atteindre des morphologies dont la taille des domaines coïncide avec la distance idéale de transport de l’exciton (~10 nm) en vue d’utiliser ces systèmes comme matériaux de couche active dans les cellules photovoltaïques organiques de type P3HT-PCBM.La maîtrise et l'optimisation des conditions de synthèse de rr-P3HT de fonctionnalité terminale bien définie nous ont permis d'accéder à différentes architectures de copolymères linéaires di- et triblocs, constitués de P3HT comme bloc rigide et de polystyrène ou poly(4-vinylpyridine) comme bloc ‘flexible’. La fonctionnalisation du bloc flexible avec des dérivés du fullerène (C60 ou PCBM) a ensuite été réalisée et ces copolymères utilisés comme additifs pour stabiliser la morphologie de la couche active des cellules solaires organiques de type P3HT/PCBM. Les caractéristiques photovoltaïques des matériaux ainsi préparés ont été déterminées et corrélées aux analyses morphologiques de la couche active.

The performance of organic photovoltaic cells mainly depends on the active layer nano-morphology. Rod-coil block copolymers (BCPs) are well known in their ability to self-assemble into well-ordered nanoscopic morphologies. BCPs containing electron-donor and acceptor segments are of particular interest for use in photovoltaic cells because electronic light-excited states exist over distances similar to the typical size of block copolymer domains (~10 nm). Therefore, we designed novel donor-acceptor BCPs to exploit this coincidence in dimensions. This thesis is focused on BCPs based on regioregular poly(3-hexylthiophene) (rr-P3HT) due to its high hole mobility and good processibility from various solvents. Simplified and versatile syntheses of donor-acceptor rod-coil di- and tri- BCPs consisting of the donor block P3HT (rod) and polystyrene or poly(4-vinylpyridine) (coil) blocks to carry the acceptor C60 in different ways were developed. These materials were used as surfactants to stabilize the nano-morphology of reference P3HT: [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) based devices. Photovoltaic characterizations were then tied to copolymer structural data with the help of AFM and a range of complementary characterization techniques.