Impression numérique de cellules solaires organiques utilisant des accepteurs nonfullerène

Digital printing of organic solar cells using nonfullerene acceptors

• Auteur / Autrice : Pavlo Perkhun
• Direction : Jörg Ackermann, Jean-Jacques Simon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Chimiques
• Date : Soutenance le 19/04/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….) - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM)
• Jury : Président / Présidente : Mossadek Talby
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Chambon, Laure Biniek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Morten Madsen, Nathalie Stingelin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éclairage intérieur

Polymères

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Cellules solaires organiques

Impression par jet d'encre

Accepteurs non fullerène

Organic solar cells

Ink-Jet printing

Non-Fullerene acceptors

Résumé

Au cours de la dernière décennie, le développement de ce qu'on appelle les accepteurs non-fullerène (NFA) a permis d'obtenir des rendements de conversion d'énergie (PCE) des cellules solaires organiques (OSC) supérieurs à 18%. La partie la plus importante des OSC est la couche photo-active. Donc, le sujet principal de ce travail de thèse a été le développement de cellules solaires de haute efficacité utilisant l'impression par jet d'encre (IJP) de mélanges de polymères à base de matériaux NFA. Une première partie du travail de thèse a été consacrée au traitement et à l'optimisation des dispositifs de dérivés de l’ITIC, et les polymères donneurs correspondants tels que PCE-12 et PCE-10. En addition, la morphologie à l'échelle nanométrique des mélanges à base de NFA a également été étudiée en détail. Dans la deuxième partie pour répondre aux besoins de l'IJP, nous avons étudié l'impact du traitement des matériaux NFA par des solvants non halogénés sur la morphologie de la couche photo-active. D'abord nous avons identifié des congénères compatibles avec l'o-xylène tels que le polymère PM6 et l'accepteur ITIC-4F pour étudier l'IJP de ce mélange photovoltaïque à l'air à l'aide d'une imprimante semi-industrielle permettant d'obtenir d’OSCs avec un rendement de 10,12%. Dans le dernier chapitre de la thèse, les performances des OSC traitées par l'IJP et docteur blade ont été optimisées pour l'éclairage intérieur. Dans le cas des mélanges PM6:ITIC-4F, des cellules solaires ayant une efficacité de 14,8% à un éclairage intérieur de 200 lux. L'utilisation du polymère PTQ-10 combiné à l'ITIC-4F ont pu encore augmenter l'efficacité à 16% dans des mêmes conditions d'éclairage.

Over the last decade, the development of so called non-fullerene acceptors (NFA) resulted in power conversion efficiencies (PCE) of organic solar cells (OSCs) exceeding 18%. The most important part of OSCs is the photoactive layer. Hence, the major subject of this thesis work was the development of high efficiency solar cells using ink-jet printing (IJP) of polymer blends based on NFA. A first part of the thesis work was dedicated to processing and device optimization of ITIC- derivatives and corresponding polymer donors such as PCE-12 and PCE-10. Additionally, the nanoscale morphology of NFA based blends was also studied in detail.In the second part of the thesis work to reach the requirements of IJP we studied the impact of the non-halogenated solvents processing of the NFA materials on the photoactive layer morphology. First, we identified o-xylene compatible congeners such as PM6 polymer and ITIC-4F acceptor to study the IJP of such photovoltaic blend in air using a semi-industrial printer allowing to obtain OSCs with the efficiency of 10.12%.In the last chapter of the thesis, the performance of OSCs processed by IJP and doctor blade were optimized for indoor light illumination. In the case of PM6:ITIC-4F blends, solar cells with an efficiency of 14.8% at 200 lux indoor illumination. The use of the polymer PTQ-10 combined with ITIC-4F could further boost the efficiency at 16% under the same illumination conditions.