Solution-processable oligomeric and small molecule semiconductors for organic solar cells

Oligomères et petites molécules semi-conducteurs déposables par voie-liquide pour les cellules solaires organiques

• Auteur / Autrice : Mylène Le Borgne
• Direction : Patrick Maestro, Yuning Li
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique
• Date : Soutenance le 28/04/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec University of Waterloo (Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Leriche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Leclerc, Hany Aziz, Guillaume Wantz, Marie-Béatrice Madec, Neil McManus
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Leriche, Kathleen Moineau-Chane Ching

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires organiques

Petites molécules

Oligomères

Mots clés libres

Petites molécules

Oligomères

Cellule solaire organique

DPP

EBI

Small molecules

Oligomer

Organic solar cell

DPP

EBI

Résumé

Les cellules solaires organiques sont une technologie très prometteuse grâce à leur faible-coût de fabrication, leur flexibilité et leur légèreté. Actuellement, elles ne sont qu’au stade du prototype à cause de leurs faibles rendements et leur courte durée de vie. L’une des voies les plus étudiées pour améliorer le rendement est la conception de nouveaux matériaux photo-actifs. Lors de cette thèse, deux séries de semi-conducteurs donneurs d’électrons. La première série comprend trois oligomères, chacun composé de trois unités de diketopyrrolopyrrole (DPP) qui est un chromophore très étudié dans la littérature. Ces oligomères ont la particularité d’absorber dans le proche infra-rouge. En intercalant différents groupements donneurs d’électrons entre les DPPs, différentes torsions sont obtenues le long de leur squelette. Ceci a permis d’établir qu’un oligomère plan a une plus grande cristallinité et par conséquent transporte mieux les charges, atteignant une mobilité de trou de 10-3 cm². V-1.s-1. Cependant, cette forte cristallinité entraîne une hétérojonction volumique défavorable et un faible rendement photovoltaïque (<1%). La deuxième série est composée de quatre petites molécules combinant une unité 3,3’-(ethane-1,2-diylidene)bis(indolin-2-one) (EBI) avec différents groupements donneurs d’électrons: thiophène (EBI-T), benzofurane (EBI-BF) and bithiophène (EBI-2T)). Les dérivés EBI ont été testés dans les transistors à effet de champ et dans les cellules solaires en tant que semi-conducteurs donneurs. La meilleure mobilité de trou de 0,021 cm².V-1.s-1 a été mesurée avec EBI-BF grâce à sa conformation plane alors que le PCE maximal de 1.92% est obtenu avec EBI-2T grâce à son large spectre d’absorption et une morphologie adéquate.

Organic solar cells appear as a promising technology within photovoltaic field owing to their low-cost fabrication and their great flexibility enabling a widespread distribution. For now, they are still at the prototype stage due to their limited efficiency and lifetimes. Many efforts were realized in designing new materials as they are involved in every steps of the photovoltaic process and thus they dictate the cell efficiency. Along this thesis, two series of electron-donating semi-conductors were designed and synthesized. The first series consist in three oligomers containing three diketopyrrolopyrrole units, a well-studied chromophore. Those oligomers absorb up to the near infra-red region, a very interesting feature for light harvesting. Through the engineering of electron-rich spacers, various twists were generated in the oligomers backbone. The oligomer showing a coplanar conformation appears to be the most crystalline and thus exhibits the best charge transport properties with a hole mobility of 10-3 cm².V-1.s-1.iiiHowever, bulk heterojunction organic solar cells, this high crystallinity results in an unfavorable morphology and a PCE inferior to 1%. As for the second series, the four small molecules combined 3,3’-(ethane-1,2-diylidene)bis(indolin-2-one) (EBI), an electron deficient unit, and various electron-rich units such as thiophene (EBI-T), benzofuran (EBI-BF) and bithiophene (EBI-2T). Among EBI derivatives, EBI-BF demonstrated the highest hole mobility of 0.021 cm².V-1.s-1 in field effect transistors due to its coplanar conformation. Meanwhile, in bulk heterojunction solar cells, the highest PCE of 1.92% was obtained with EBI-2T:PC61BM blend owing to a more appropriate morphology and the broadest absorption spectrum of EBI-2T.