Molécules conjuguées pour le photovoltaïque organique : impact de la rigidification sur les propriétés des matériaux

Conjugated molecules for organic photovoltaics : Effect of the rigidification on material properties

• Auteur / Autrice : François Baert
• Direction : Philippe Blanchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique, minérale, industrielle
• Date : Soutenance le 02/10/2015
• 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 : Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers - Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers (MOLTECH ANJOU) / MOLTECH ANJOU
• Jury : Président / Présidente : Muriel Hissler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Leriche, Bruno Jousselme
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Vignau, Pierre Audebert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires organiques

Photopiles

Thiophène

Mots clés libres

Systèmes conjugués

Rigidification

Pontage covalent

Conjugated systems

Rigidification

Covalent bridging

Résumé

Le développement du photovoltaïque organique(OPV), passe à la fois par des progrès technologiques et par l’élaboration de nouveaux matériaux photoactifs. Au sein des dispositifs se trouvent en général deux types de semi-conducteurs organiques, l’un accepteur d’électrons,l’autre donneur.Au cours de ce travail, différentes stratégies de rigidification par pontage covalent ont été appliquées à trois familles de donneurs moléculaires afin d’en étudier l’impact sur leurs propriétés électroniques. Dans un premier temps, deux séries de dérivés pontés du quaterthiophène substitué en positions terminales par des groupements dicyanovinyles ont été synthétisées. La présence d’un pont méthylène au niveau du bithiophène central induit un décalage du spectre d’absorption vers les faibles énergies en élevant le niveau HOMO de la molécule. Leur potentiel comme matériaux donneurs a, par la suite, été évalué au sein de dispositifs solaires. Ainsi, selon la longueur des chaînes alkyles introduites sur le pont, des rendements de photoconversion de 2% à 3,4% sont atteints en cellules bicouches. Puis, dans un second temps, l’utilisation de l’hétérocycle rigide thiéno[2,3-b]indole a permis de concevoir la plus petite molécule push-pull à atteindre 1%d’efficacité. Un rendement de 3,1% est obtenu lorsque le système conjugué est étendu d’une unité thiophène. Enfin, un donneur moléculaire construit autour d’un dithién-2-yldicyanoéthylène ponté, fonctionnalisé en périphérie par des unités triphénylamine, conduit à des cellules moins performantes (0,3%) que son homologue non ponté (1,1%).

The development of the so-called organic photovoltaics (OPVs) still requires technological as well as chemical advances through the elaboration of new photoactive materials. Active layer of devices is typically composed of two organic semiconductors, one electron-acceptor and one electron-donor respectively. During this work, rigidification by covalent bridging was applied to three different kinds of molecular donors to assess its impact on the materials electronic properties. First, two series of covalently bridged dicyanovinyl(DCV) end-capped quaterthiophene derivatives have been synthesized. A methylene bridge on the central bithiophene unit leads to a significant bathochromic shift of the absorption spectrum associated with a raising of the HOMO level. Their potential as donor material has been evaluated in solar cells. Power conversion efficiencies ranging from 2% to 3.4% can be achieved in bilayers structures according to the length of the alkyl chains introduced on the bridged bithiophene moiety. Then, the use of a rigid thieno[2,3-b]indoleheterocycle allowed us to design, synthesize and characterize the smallest push-pull molecule able to reach 1% efficiency. It is worth noting that extending the conjugation length of this molecule by adding one thiophene unit leads to an increase of the efficiency up to 3.1%. Finally, a molecular donor built from a bridged dithienyldicyanoethylene core functionalized at both sides by a triphenylamine unit was studied and led to less efficient OPV cells (0.3%) than its unbridged counterpart (1.1%).