Vers l’industrialisation des cellules solaires organiques ternaires

Towards the industrialization of organic ternary solar cells

• Auteur / Autrice : Robin Szymanski
• Direction : Guillaume Wantz, Sylvain Chambon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Mona Tréguer-Delapierre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Wantz, Sylvain Chambon, Mona Tréguer-Delapierre, Nicolas Leclerc, Maes Wouter, Sébastien Taillemite
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Leclerc, Maes Wouter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Complexes donneur-accepteur d'électrons

Réseaux électriques (énergie) -- Répartition des charges

Composés ternaires

Semiconducteurs organiques

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Photovoltaïque organique

Cellules solaires organiques

Semiconducteurs organiques

Mélanges ternaires

Mobilité de porteurs de charge

Accepteurs non fullerène

Organic photovoltaics

Organic solar cells

Organic semiconductors

Ternary blends

Charge carrier mobility

Non-Fullerene acceptors

Résumé

L’énergie solaire photovoltaïque organique (OPV) est une technologie émergente exempte de matériaux rares et à faibles coûts énergétiques de production. Ces modules, composés de plusieurs couches minces empilées, peuvent être souples, semi-transparents et de différentes formes et couleurs, permettant de les intégrer dans le paysage urbain ou aux objets du quotidien. A l’échelle laboratoire, les rendements de conversion énergétique reportés en OPV n’ont cessé de croitre d’année en année, grâce en particulier à l’émergence de nouvelles couches actives, classiquement composées de deux semi-conducteurs organiques, l’un donneur d’électrons, l’autre accepteur d’électrons (système binaire). Il a été montré qu’il est possible d’en ajouter un troisième pour former un mélange ternaire afin d’améliorer les performances tout en gardant les mêmes coûts de production. Le but de cette thèse est donc de comprendre l’impact du troisième composé et de développer des solutions innovantes tout en intégrant les contraintes liées à leur industrialisation. Dans un premier temps, des couches binaires à base des polymères DT-PDPP2T-TT et PTQ10 ont été mises au point en respectant ces contraintes. Leurs performances prometteuses ont servi de socle à l’étude des mélanges ternaires. Le premier raisonnement s’est basé sur l’augmentation de la densité de courant de court-circuit en ajoutant un composé présentant un spectre d’absorption solaire complémentaire. Cette démarche n’a pas été concluante car le facteur de forme diminuait fortement. Il a alors été décidé de se concentrer sur ce paramètre en ajoutant du PC61BM, accepteur à forte mobilité d’électrons. Cette stratégie a permis de porter les rendements de conversion jusqu’à 10.3% en conditions semi-industrielles avec un solvant non toxique et jusqu’à 14.7% avec un solvant halogéné. Cette amélioration a été attribuée à des changements morphologiques impactant le transport de charge. De plus, lorsque les accepteurs sont miscibles, la tension en circuit ouvert est proportionnelle au ratio entre les deux accepteurs. Une approche prédictive basée sur les énergies de surface a ensuite été menée pour mesurer la compatibilité des matériaux entre eux. Les dispositifs ternaires à base de PTQ10 : 4TIC-4F : PC61BM ont montré une meilleure photostabilité. Pour finir, une étude de pré-industrialisation s’est avérée concluante en vue d’essais à plus grande échelle.

Organic photovoltaics (OPV) is a promising solar energy technology excluding the usage of rare elements and with low production costs. These multilayer OPV modules can be flexible, semi-transparent and with various colors enabling innovative usage in the urban landscape and on our everyday technological items. At lab scale, over the years, the power conversion efficiency of OPV cells grew up dramatically, especially thanks to the development of novel active layers, blends of two organic semiconductors, one electron donor and one electron acceptor (binary system). Recently, it has been shown that adding a third material in the active layer, forming a ternary blend, increases the performances. This strategy is of interest for the OPV industry by maintaining the low production costs of the modules. Therefore, this work aims to understand the role of this third component and to develop innovative active layers while respecting the industrial requirements for large-scale production. First, we focused on binary blends with PTQ10 and DT-PPDT2T-TT as polymeric donors. Promising efficiencies were achieved on these binary systems as a base for our ternary studies. We tried to increase the short circuit current by adding a third organic semiconductor with complementary light absorption. This approach was not successful because the fill factor dropped drastically. Thus, we focused on improving this parameter by adding the well-known fullerene acceptor PC61BM. This strategy enabled to increase the efficiency up to 10.3% in semi-industrial conditions with a non-toxic solvent and up to 14.7% in halogenated solvent. Morphological changes were responsible of charge transport improvement, which has proven to be one of the key factor in ternary blends. In addition, the open circuit voltage has been shown proportional to the weight ratio between both acceptors when they form an alloy. Based on these studies, we developed a predictive approach to assess the compatibility between the materials. Finally, ternary PTQ10:4TIC-4F:PC61BM devices turned out to be the most promising in terms of pre-industrialization and photostability.