Etude structurale, mécanique et optique des matériaux polymères pour le photovoltaïque étirable

Structural, mechanical and optical study of polymer materials for stretchable photovoltaics

• Auteur / Autrice : Mouaad Yassine Aliouat
• Direction : Stéphanie Escoubas, Mohamed Cherif Benoudia, David Duché
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 17/11/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec ENSMM Annaba, Algérie (Ecole Nationale Supérieure des Mines et de la Métallurgie Amar Laskri, Annaba, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Olivier Renault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Retima, Olivier Margeat, Souren Grigorian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Djamel Eddine Mekki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires organiques

Cellules solaires polymères

Polymères

Matière condensée

Nanotechnologie

Mots clés libres

Cellules photovoltaïques organiques

Films minces

Polymères π-Conjugués

Diffraction des Rayons X synchrotron

Structure

Orientation

Ellipsométrie spectroscopique

Indices optiques

Transitions électroniques

Mesures in-Situ

Traction mécanique

Déformations

Organic solar cells

Thin films

Π-Conjugated polymers

Synchrotron X Ray Diffraction

Structure

Orientation

Spectroscopic ellipsometry

Optical indices

Electronic transitions

In-Situ measurements

Tensile strains

Strain

Résumé

Les cellules photovoltaïques ont connu un développement important en termes d’applications grâce à l’utilisation des films minces en polymères π-conjugués comme matériaux actifs, ce qui a généré une nouvelle famille de cellules dites «organiques». Ainsi, l’association de ces films minces organiques avec des supports étirables ouvre de nouvelles applications dans tous les secteurs. Cependant, le comportement mécanique des polymères en films minces ou dans les empilements est encore mal connu, ainsi que l’impact des déformations sur les propriétés électriques ou optiques. Ce travail de thèse a porté dans un premier temps sur l’amélioration de la qualité des films minces polymères, afin d’étudier leurs propriétés structurales, optiques et mécaniques. Nous avons utilisé deux techniques de caractérisation qui se sont avérées complémentaires: la diffraction des rayons X au synchrotron, pour connaître les propriétés structurales des films minces, l’ellipsométrie spectroscopique pour extraire leurs indices optiques. Les résultats obtenus ont montré une très bonne corrélation entre les paramètres de structure mesurés par la DRX et les modèles ellipsométriques. Une méthodologie originale a ensuite été développée afin d’effectuer des mesures in-situ de DRX sous traction mécanique couplées avec des observations en microscopie optique. Nous avons observé que les chaînes de polymère sont en compression dans la direction perpendiculaire à la traction et mieux orientées, jusqu’à une valeur critique d’allongement, au-delà de laquelle l’énergie élastique diminue au bénéfice de la propagation de fissures, ce qui engendre une relaxation de la contrainte et une dégradation de l’orientation

Solar cells have shown tremendous progress in terms of applications thanks to the use of π-conjugated semi-conducting polymer layers as active materials. This has generated a new family of photovoltaic cells called ‘organic’. Moreover, using stretchable supports opens many new nomadic applications in all fields. However, there is still a lack of understanding of the behavior of the electrical and the optical properties of polymer layers under mechanical load. This work is aiming firstly at improving the quality of polymer layers. Then at studying their structural, optical and mechanical properties. For that purpose, two characterization methods have been used: X-ray diffraction at synchrotron is used to probe the structural properties of polymer layers and to know how polymer chains are oriented, spectroscopic ellipsometry is used to extract their optical indices. The obtained results revealed that the structural properties measured by XRD are in good correlation with the optical properties extracted from the optical measurements. In addition to that, we have developed a novel methodology for in-situ XRD measurements coupled with optical microscopic observations to measure the structural parameters of layers and to probe the mechanical behavior of polymer chains under uniaxial tensile load. It is observed that until a given value of stretching, the polymer chains are in compression stress under tensile strains, and they become more oriented. Beyond this value of stretching, the polymer order declined and the compressive stress was relaxed. This relaxation is explained by the increased number of cracks spreading over the entire film as observed using optical microscopy