Recherche de solvants durables pour les cellules solaires organiques à haute performance par ingénierie inverse

Searching sustainable solvents for high-performance organic solar cells by reverse engineering

• Auteur / Autrice : Jing Wang
• Direction : Thomas Heiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique / Photovoltaïque
• Date : Soutenance le 14/10/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Ulrich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivonne Rodríguez-Donis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Wantz, Jean-Marie Aubry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception assistée par ordinateur

Solvants éco-compatibles

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Photovoltaïque organique

Solvants durables

Conception de produits assistée par ordinateur

Organic photovoltaics

Sustainable solvents

Computer-aided product design

Résumé

Pour la production de modules photovoltaïques organiques (OPV), le remplacement des solvants halogénés par des solvants "verts" est indispensable. En raison des liens complexes entre propriétés des solvants et performances OPV, la sélection de solvants s’est basée jusqu'à présent sur une approche de type essai – erreur. Ici, nous explorons une méthode moins empirique, de type conception moléculaire assistée par ordinateur, en utilisant l’outil IBSS®CAMD, initialement développé pour la recherche de bio-solvants en cosmétique. IBSS®CAMD modélise les propriétés physico-chimiques de molécules et applique un algorithme génétique pour concevoir des molécules aux propriétés souhaitées. A partir de valeurs cibles de multiples propriétés, IBSS®CAMD établit une classification de solvants en terme de performances globales. Les performances réelles des solvants sélectionnés sont évaluées en élaborant des dispositifs OPV et en comparant les rendements de conversion avec des références. Pour chacun des matériaux étudiés, les résultats obtenus avec les solvants alternatifs sont équivalents aux références, confirmant l’efficacité de la méthode.

For a sustainable scale-up of organic photovoltaic (OPV) modules, the replacement of halogenated solvents by “green” solvents is a critical pre-requisite. Due to the complex relationship between solvent properties and device performance, the selection of alternative solvents has so far relied primarily on a trial-and-error approach. In this thesis, we introduce a less empirical solvent selection tool, IBSS®CAMD, and apply it to the fabrication of OPVs. IBSS®CAMD models the physicochemical properties of molecules and applies a genetic algorithm to design molecules with the desired properties. This allows us to establish lists of alternative solvents ranked by a global performance function encompassing a given number of desired properties. The actual performances of the selected solvents are evaluated by elaborating photovoltaic devices and comparing the performance with those obtained with devices processed from halogenated solvents. For each of studied blends, the performances of the devices obtained with the alternative solvents were similar to those of standard devices processed from halogenated solvents, corroborating the relevance of the proposed method.