Synthèses et caractérisations de nanomatériaux composites comme couches interfaciales dans les cellules solaires organiques

Synthesis and characterization of composite nanomaterials as interfacial layers in organic solar cells

• Auteur / Autrice : Riva Alkarsifi
• Direction : Jörg Ackermann, Olivier Margeat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Chimiques
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole èdoctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mélanie Bertrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Souad Ammar, Guillaume Wantz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires organiques

Matériaux hybrides

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules

Fabrication de film

Matériaux hybrides

Cellule solaire organique

Nanoparticles

Film fabrication

Hybrid materials

Organic solar cells

Résumé

Les cellules solaires organiques sont dans le domaine photovoltaïque l'une des approches les plus prometteuses et cette thèse traite de la synthèse chimique de nouveaux nanocristaux à base de métaux et de l'incorporation de ces matériaux, par voie liquide, comme couches de transport dans les cellules solaires. L’une des stratégies pour améliorer les performances des dispositifs consiste en l'incorporation de couches interfaciales appropriées.Celles-ci jouent plusieurs rôles et sont le plus souvent préparées par des méthodes de dépôt sous vide comme l'évaporation thermique. Cependant, ces méthodes nécessitent des équipements complexes, ce qui limite leur utilisation pour la fabrication de dispositifs de grande surface à faible coût. Par conséquent, l’approche d’une utilisation de matériaux interfaciaux par voie liquide a attiré beaucoup d'attention.Au cours de ces travaux, nous avons focalisé les études des couches de transport de trous sur la synthèse de NiOx et de NiOx dopés au Li, Cu et Sn et avons pu modifier le solvant de la dispersion depuis l'eau vers l’isopropanol. Un dopage par un composé moléculaire a ensuite été utilisé pour améliorer le travail de sortie, permettant d’obtenir une efficacité de 7,4% avec les cellules solaires de structure normale. En structure inverse, une efficacité de 7,9% a été atteinte.En ce qui concerne les études des couches de transport d’électron, trois matériaux hybrides ont ainsi été synthétisés et cristallisés par évaporation lente puis solubilisés dans des solutions à base d'alcool, avant d'être utilisés dans des cellules solaires en structure normale et inverse, permettant ainsi d’obtenir respectivement 8,19% et 6,7% d'efficacité.

This thesis deals with the chemical synthesis of new metal-based nanocrystals and the incorporation of these solution processed materials as hole transport layers (HTLs) and electron transport layers (ETL) in Organic Solar Cells (OSCs). Several strategies were applied to increase the efficiency of the OSCs such as the incorporation of suitable interfacial layers. Interfacial layers were mainly prepared through vacuum deposition methods such as thermal evaporation, however, they require complex equipment, which limits their use in low-cost, large area device fabrications. Therefore, the solution processed interfacial materials have attracted significant attention to overcome the problems of vacuum depositions. During this work, we focused the HTL studies on the synthesis of NiOx nanocrystals. We synthesized pristine NiOx as well as Li, Cu and Sn doped NiOx nanoparticles at different doping levels. By following a specific strategy, we were able to transform the dispersion from water into isopropanol that can be easily deposited onto the active layer. Molecular doping was used to improve the work function using F4-TCNQ molecule. After optimizations, 7.4% and 7.9% efficiencies were obtained with the regular and the inverted device structures, respectively. As for the ETL studies, we focused this work on the development of a new class of organic-inorganic hybrid materials. Three types of antimony-based hybrid materials were synthesized and crystallized using a slow evaporation method and then solubilized as nanocrystals in alcohols, before being used in both regular and inverted devices giving 8.19% and 6% efficiencies, respectively, for the best working hybrid material.