Small Conjugated Push-Pull Molecular Donors for Organic Photovoltaics : characterization and Devices Optimization

par Amirhossein Habibi

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Philippe Blanchard et de Olivier Segut.

Soutenue le 07-02-2020

à Angers , dans le cadre de École doctorale Matière, Molécules et Matériaux (Le Mans) , en partenariat avec Institut des sciences et technologies moléculaires d'Angers (Moltech Anjou) (équipe de recherche) et de Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers (MOLTECH ANJOU) / MOLTECH ANJOU (laboratoire) .

Le président du jury était Laurence Vignau.

Le jury était composé de Johann Bouclé, Christine Dagron-Lartigau, Jean-Manuel Raimundo.

Les rapporteurs étaient Johann Bouclé, Christine Dagron-Lartigau.

  • Titre traduit

    Matériaux donneurs dérivés de petites molécules conjuguées de type push-pull pour le photovoltaïque organique : caractérisation et optimisation de cellules solaires


  • Résumé

    Les cellules solaires organiques sont en général constituées de deux types de semi-conducteurs organiques, un donneur et un accepteur d’électrons. Ce travail porte sur l’évaluation de matériaux donneurs d’électron dérivés de molécules pi-conjuguées push-pull combinés à des dérivés du fullerène comme matériau accepteur. Cette thèse décrit d’abord la fabrication et l’optimisation des cellules photovoltaïques (PV) réalisées à partir du DPMA-T-DCV. Cette petite molécule conjuguée push-pull facilement accessible, présente de bonnes propriétés de transport de trous à l’état solide et est constituée d’un groupe électro-donneur diphénylméthylamine (DPMA), une unité thiophène (T) comme espaceur pi-conjugué et un groupe terminal électro-attracteur dicyanovinyle (DCV). Différents dispositifs ont été fabriqués (cellules bicouche ou à réseaux interpénétrés de structure conventionnelle ou inverse) puis optimisés en jouant sur l’épaisseur des couches, le ratio massique entre la molécule push-pull et le dérivé du fullerène sélectionné ainsi que sur le procédé de fabrication en solution ou sous vide. Des cellules àréseaux interpénétrés de structure conventionnelle avec des rendements de conversion PV supérieurs à 4% ont pu être élaborées par co évaporation du DPMA-T-DCV et de fullerène C60. 6De nouvelles molécules dérivées de DPMA-T-DCV, présentant un espaceur conjugué plus étendu ou un noyau sélénophène à la place de l’unité T et/ou un analogue carbazole plus rigide que le groupe DPMA, ont été évaluées en PV. Enfin, des multimères de push-pull ont également été testés dans des cellules à réseaux interpénétrés en présence de PC61BM ou PC71BM pour conduire à des rendements de photo-conversion de 3.4%.


  • Résumé

    Organic solar cells (OSCs) generally consist of two types of organic semiconductors, one electron acceptor and one electron donor. This PhD work deals with the evaluation of electron donor materials derived from piconjugated push-pull molecules combined with fullerene derivatives as acceptor materials. This thesis firstly describes the fabrication and optimization of photovoltaic (PV) cells made from the small DPMA-TDCVpush-pull conjugated molecule known for its good solid-state hole transport properties and constituted by a diphenylmethylamine (DPMA) electron-donating group, a thiophene (T) unit as pi-conjugated spacer and a terminal dicyanovinyl (DCV) electron-withdrawing group. Different devices have been manufactured such as bi-layer or bulk heterojunction (BHJ) OSCs with a conventional or inverted structure, and then optimized by adjusting the thickness of the layers, the weight ratio between the push-pull molecule and the selected fullerene derivative, and by using a solution or a vacuum deposition process as well. Conventional BHJ OSCs with PV conversion efficiencies greater than 4% could be achieved by co-evaporation of DPMA-T-DCV and fullerene C60. Then, new DPMA-T-DCV derivatives resulting from an extension of the pi-conjugated spacer or by replacing the T unit with a selenophene ring and/or the DPMA unit with its more rigid carbazole analogue, were assessed for PV. Finally, push-pull multimers were also tested in BHJ OSCs in the presence of PC61BM or PC71BM yielding photoconversion efficiencies up to 3.4%.


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