Conception et synthèse de matériaux moléculaires pour les cellules photovoltaïques à colorant par sensibilisation de semiconducteur de type p

• Auteur / Autrice : Antoine Maufroy
• Direction : Fabrice Odobel, Muriel Hissler, Yann Pellegrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique, minérale, industrielle
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie Et Interdisciplinarité : Synthèse, Analyse, Modélisation (Nantes) - Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Jury : Président / Présidente : Hubert Le Bozec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Odobel, Muriel Hissler, Yann Pellegrin, Hubert Le Bozec, Athanassios Coutsolelos, Alain Igau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Athanassios Coutsolelos, Alain Igau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photophysique

Phospholes

Porphyrines

Photopiles

Résumé

L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux sensibilisateurs moléculaires pour améliorer les performances des cellules photovoltaïques à colorant de type p (p-DSSCs pour p type dye sensitized solar cells) qui sont fondées sur l’injection de lacunes électroniques dans la bande de valence d’un oxyde semi-conducteur de type p (NiO dans le cadre de cette thèse). Le premier chapitre décrit l’état de l’art des dispositifs photovoltaïques hybrides en comparaison de celui des cellules solaires inorganiques en abordant également l. Avenir commercial des DSSCs. Le deuxième chapitre porte sur le développement de colorants pour NiO à base de porphyrines de zinc. Les synthèses et caractérisations physico-chimiques approfondies de neuf nouvelles porphyrines « pushpull » ainsi que leurs performances photovoltaïques au sein de dispositifs sont présentés. Enfin, les résultats photovoltaïques sont rationalisés sur la base de calculs quantiques et de mesures photo-physiques par absorption transitoire. Le dernier chapitre aborde la conception de nouveaux colorants à base de phosphole. Ces molécules sont très intéressantes pour cette application en raison de leurs propriétés physico-chimiques originales et elles n’ont jamais été utilisées au sein de p-DSSCs. La synthèse de cinq nouveaux colorants push-pull, où le motif phosphole joue le rôle d’accepteur intermédiaire d’électron, est décrite. La réactivité particulière de l’unité phosphore qui s’isomérise en phospholène est présentée. Les propriétés physico-chimiques de ces colorants sont ensuite étudiées et ces produits sont enfin utilisés au sein de dispositifs p-DSSCs dont les performances photovoltaïques sont analysées.

The aim of this thesis is to develop new molecular sensitizers to enhance performances of p-type dye sensitized solar cells (p-DSSCs) which are based on the injection of electronic holes in the valence band of a ptype semiconductor oxide (NiO as part of this thesis). The first chapter describe the state of the art of hybrids photovoltaic devices compared to the inorganic solar cells. The economic future of DSSCs is also addressed. The second chapter deals with the conception of zinc porphyrin based dyes for NiO. Synthesis and detailed physico-chemical characterization of nine new push-pull porphyrins as well as their photovoltaic performances in dispositive are presented. Finally, photovoltaic results are rationalized with the help of quantical calculations and photo-physical measurements by transient absorption. The last chapter deals with the conception of new phosphole based sensitizers. Those molecules are really interesting for this application due to their originals physico-chemicals properties and they have never been used in p-DSSCs. Synthesis of five new push-pull dyes, were phosphole unit acts as an intermediary electron acceptor, is described. Particular reactivity of phosphole units which isomerize itself into phospholene is presented. Physico-chemicals properties of those dyes are then studied and those products are used in p- DSSC devices whose photovoltaic performances are analyzed.