Synthèse et caractérisation de nouveaux verres moléculaires de type p dérivés de carbazole pour cellules solaires pérovskite

Synthesis and characterization of new p-type molecular glasses derived from carbazole for perovskite solar cells

• Auteur / Autrice : Rana Nakar
• Direction : Bruno Schmaltz, Nicolas Berton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physico-Chimie des Matériaux et des Électrolytes pour l’Énergie (Tours)
• Jury : Président / Présidente : François Tran-Van
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Geffroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marwan Kobeissi, Clément Cabanetos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verres moléculaires

Matériaux transporteurs de trous

Synthons

Trous (électronique)

Photopiles

Carbazole

Pérovskites

Mots clés libres

Cellules photovoltaïques

Matériaux transporteurs de trous

Pérovskite

Carbazole

Photovoltaic cells

Hole transporting materials

Perovskite

Carbazole

Résumé

L’énergie solaire est une importante source d’énergie renouvelable. Depuis 10 ans, les cellules solaires pérovskite ont montré leur énorme potentiel avec des rendements supérieurs à 22%. Ce travail de thèse a consisté à élaborer de nouveaux verres moléculaires transporteurs de trous à base de carbazole pour remplacer le spiro-OMeTAD (matériau de référence) dans ces cellules pérovskite. Tout d’abord, la synthèse de semi-conducteurs de type p a été optimisée en réalisant, à partir d’un intermédiaire à base de carbazole, appelé « synthon », en une seule étape, 4 nouvelles familles de molécules constituées d’un, deux ou trois synthons. Des coeurs à base de dérivés de spirobifluorène, de thiophènes, de triazatruxène ou d’espaceur fluorés ont été utilisés. Les propriétés physico-chimiques de ces familles de composés ont ensuite été étudiées afin de vérifier leurs possible utilisation en dispositifs solaires et de trouver une relation structure/propriétés. Par exemple, il a été montré que les Tg des composés dépendent fortement de la rigidité du coeur. Les analyses thermiques, électroniques et énergétiques montrent que tous les composés synthétisés ont des propriétés en accord avec leur utilisation comme HTM dans les cellules pérovskite. Finalement, ces matériaux ont été intégrés dans des dispositifs solaires et montrent un potentiel intéressant autant en termes de rendement (entre 13% et 15%), comparable au matériau actuel, que de prix (coût au moins 2 fois moins élevé que la référence).

The sun is the most important source of renewable energy. Over the last 10 years, perovskite solar cells have shown a tremendous interest with efficiencies above 22%. This PhD work has consisted in elaborating new molecular glasses, hole transporting materials, based on carbazole moiety to replace spiro-OMeTAD (reference material) in perovskite solar cells. First, the elaboration of p type semiconductors has been optimized by synthesizing, from a carbazole based intermediate called “synthon”, in only one step, 4 new families of molecules constituted of one, two or three synthons. Cores based on spirobifluorene derivatives, thiophenes, triaxatruxenes or fluorinated spacer have been used. The physicochemical properties have then been studied in order to confirm that they can be used in solar devices and to find a structure/properties relationship. For example, we showed that the Tg of the materials are clearly depending on the rigidity of the chemical structure of the core. Thermal, electronic and energetic measurements are showing that the whole families possess suitable properties to be used as HTM in perovskite solar cells. Finally, these materials have been integrated in solar devices and have shown promising results either in terms of efficiencies (between 13% and 15%), similar to the commercially available material, or in terms of price (the cost is at least twice cheaper than the reference).