Modulation des propriétés optoélectroniques de colorants organiques pour des applications en cellules photovoltaïques hybrides

par Maxime Godfroy

Thèse de doctorat en Chimie organique

Sous la direction de Jean-Pierre Travers.

Le président du jury était Frédérique Loiseau.

Le jury était composé de Frédéric Oswald, Renaud Demadrille.

Les rapporteurs étaient Jean-Christophe Lacroix, Johann Bouclé.


  • Résumé

    En une heure, la Terre reçoit en énergie solaire l’équivalent d’une année de consommation énergétique mondiale. Pour cette raison, les cellules photovoltaïques qui convertissent des photons en électricité, ont un rôle déterminant à jouer dans la transition énergétique imposée par les changements climatiques. Les cellules solaires sensibilisées par des colorants sont une des technologies émergentes qui ont déjà été utilisées à l’échelle industrielle à travers quelques exemples d’intégration aux bâtiments. Elles représentent une alternative esthétique et peu cher comparée aux cellules à silicium. Ces cellules hybrides dites de « Grätzel » utilisent un semi-conducteur inorganique nanostructuré sur lequel est greffé un colorant qui à l’état photo-excité va injecter des électrons dans l’oxyde. Ce sensibilisateur va être régénéré par un couple redox présent dans un électrolyte ou un transporteur de trous moléculaire qui eux-mêmes vont être régénérés à la contre-électrode. Dans ce contexte, ce travail présente les études réalisées sur certains constituants de la cellule (du semi-conducteur jusqu’au système régénérateur du colorant). La majeure partie de cette thèse concerne la synthèse et la caractérisation avancée de nouveaux semi-conducteurs organiques, des colorants ou des transporteurs de trous moléculaires, et l’étude des relations structure/propriétés. En particulier, le remplacement, la substitution ou la rigidification de groupements présents dans ces structures ont été réalisés et leur influence sur les propriétés des nouvelles molécules a été étudiée. Les colorants synthétisés présentent des maxima de la bande d’absorption à plus faible énergie allant de 440 nm à 610 nm. Les niveaux d’énergie de ces nouveaux matériaux organiques ont été déterminés par voltammétrie cyclique et également calculés et localisés par la chimie quantique. Certains composés ont été étudiés par diffraction des rayons X, par analyse thermogravimétrique ou par calorimétrie différentielle à balayage. Après une complète caractérisation, ces matériaux ont été intégrés dans des dispositifs photovoltaïques à colorants en utilisant un électrolyte liquide pour atteindre des efficacités élevées jusqu’à 9,78 % en utilisant un seul colorant et jusqu’à 10,90 % dans le cas de la co-sensibilisation du TiO2 par deux sensibilisateurs. Certains colorants ont également conduit à des efficacités se situant à l’état de l’art à 7,81 % en remplaçant l’électrolyte liquide par un liquide ionique. De plus, certains colorants dans ces mêmes dispositifs ont présenté une excellente stabilité avec une perte comprise entre 7 et 38 % après 7000 heures d’illumination continue à 1000 W.m-2 à 65 °C. Enfin, des premiers tests ont également été réalisés en dispositifs à l’état solide qui ont conduit à une efficacité 4,5 % avec un transporteur de trous de référence ouvrant de nouvelles perspectives d’application après optimisations. En parallèle, les nouveaux transporteurs de trous synthétisés dans ce travail se sont révélés efficaces en cellules à base de pérovskites.

  • Titre traduit

    Modulation of the optoelectronic properties of organic dyes for applications in hybrid solar cells


  • Résumé

    During one hour, the Earth receives solar energy which is equivalent to one year of the world energy consumption. For this reason, photovoltaic cells that convert photons to electricity, have a key role to play in the energetic transition imposed by climate change. Dye-sensitized solar cells are one of the emergent technologies that have already been used at the industrial scale in a few examples of building integrating. They represent an esthetic and low-cost alternative compared to silicon solar cells. These hybrid cells also named « Grätzel cells » use a nanostructured inorganic semi-conductor where a dye is grafted onto the surface and acts as a sensitizer. This dye injects electrons after photo-excitation in the oxide. The dye is regenerated by a redox couple present in a liquid electrolyte or a hole transport material that are themselves regenerated by the counter electrode. In this context, this work presents studies about some of the cell constituents (from the semi-conductor to the dye regenerating system). The major part of this thesis concerns the synthesis and the advanced characterization of organic semi-conductors, dyes or hole transport materials, and the study of the structure/properties relations. In particular, the replacement, the substitution, or the rigidification of some functional groups in these structures were achieved and their influence on the properties of the new molecules were studied. The synthesized dyes present maxima of the absorption band at the lowest energy between 440 nm and 610 nm. Energy levels of the new organic materials were determined by cyclic voltammetry and also calculated and localized using the quantum chemistry. Some of the compounds were studied by X-ray diffraction, thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry. After a complete characterization, these materials were integrated in dye-sensitized photovoltaic devices using a liquid electrolyte to achieve high efficiencies up to 9,78 % using a single dye and up to 10,90 % in the case of the co-sensitization of TiO2 with two dyes. Certain dyes have demonstrated state-of-the-art efficiencies at 7,81 % by replacing the liquid electrolyte by an ionic liquid electrolyte. Moreover, the use of some of the dyes in these last devices was carried out and found to have an excellent stability with a loss of initial efficiency included between 7 % and 38 % after 7000 hours of continuous illumination at 1000 W.m-2 at 65 °C. Finally, first tests were also realized in solid state devices that showed an efficiency of 4,5 % with a reference hole transport material opening new application perspectives after optimizations. In parallel, the new synthesized hole transport materials in this work were effective in perovskite-based cells.


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