Stabilisation thermique de la couche photo-active dʼune cellule solaire organique par réticulation

par Lionel Derue

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Lionel Hirsch et de Guillaume Wantz.

Soutenue le 28-11-2013

à Bordeaux 1 , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) (laboratoire) et de Laboratoire de l'intégration du matériau au système / IMS (laboratoire) .

Le président du jury était Eric Cloutet.

Le jury était composé de Renaud Demadrille, Olivier Dautel.

Les rapporteurs étaient Nathalie Stingelin, Pierre Beaujuge.


  • Résumé

    Dans une configuration optimale, la couche photo-active d’une cellule solaire organique forme une hétérojonction volumique entre un matériau donneur et un matériau accepteur d’électrons. Cette morphologie optimale se trouve dans un état thermodynamique métastable. En cours de fonctionnement, l’absorption incidente provoque une élévation de la tempéra- ture des dispositifs. L’apport d’énergie thermique au système le fait évoluer vers un état thermodynamique stable correspondant à une micro-séparation de phase entre les deux matériaux nuisible aux performances photovoltaïques du dispositif. La solution à cette problématique envisagée dans cette thèse est de figer la morphologie optimale de la couche photo-active par réticulation chimique. Dans le but de prévenir la diffusion et la cristallisation des dérivés du fullerène, plusieurs approches ont été étudiées : la formation d’une maille de polymères réticulés, l’accroche des dérivés du fullerène aux chaînes du polymères ou la liaison entre plusieurs dérivés du fullerène. Les différentes fonctions réticulantes utilisées dans ces approches sont l’allyle, le cinnamate, l’anthracène et l’azoture. Au cours de ces travaux, des résultats satisfaisants ont été obtenus avec la fonction azoture. Basé sur cette fonction, nous avons développé un additif qui permet d’augmenter notablement la stabilité thermique des cellules solaires réticulées. Cette approche a été validée sur plusieurs couples de matériaux polymères/dérivés du fullerène à l’état de l’art.


  • Résumé

    Efficient bulk-heterojunction solar cells require an interpenetrating network of electron donating and electron accepting materials. Indeed, the optimum nano-sized phase segregation is a thermodynamically metastable system. Under operating conditions, especially under solar illumination, the temperature of the solar cell increases significantly. Adding thermal energy to the system leads to further micro-phase separation that is harmful for photovoltaic device performances. In order to freeze the optimal morphology, several approaches based on chemical cross-linking have been studied : formation of cross-linked polymer network, binding fullerene derivatives to polymer side chains or cross-linking between fullerene derivatives. Different cross-linkable functions have been used : allyl, cinamate, anthracene and azide. A versatile stabilization strategy of bulk heterojunctions morphology has been found by mean of incorporating a cross-linkable additive in low amounts with different polymer :fullerene blends. This approach is validated on multiple materials at the state-of-the-art.


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