Synthèse et études de colorants organiques photochromes pour la réalisation de cellules solaires à transmission optique variable

par Johan Liotier

Projet de thèse en Chimie organique

Sous la direction de Renaud Demadrille.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Systèmes Moléculaires et Nano Matériaux pour l'Énergie et la Santé (laboratoire) et de CIBEST (equipe de recherche) depuis le 15-10-2018 .


  • Résumé

    Parmi les nouvelles technologies photovoltaïques, les cellules solaires sensibilisées à colorant, autrement connues sous l'appellation « cellules de Grätzel », présentent certaines des caractéristiques intéressantes pour les applications et de futurs développements au niveau industriel. En effet ces cellules sont peu coûteuses à fabriquer, efficaces lorsque les conditions d'irradiation ne sont pas optimales et elles peuvent être semi-transparentes. Le laboratoire SyMMES a commencé à développer depuis 2012, de nouveaux colorants purement organiques pour ce type d'applications dans le but de remplacer les colorants à base de ruthénium en général utilisés dans ces cellules. Certaines des nouvelles molécules développées au laboratoire ont montré des performances élevées (supérieures à 10%) et une stabilité exceptionnelle (plus de 5000h sous irradiation continue à 65°C) lorsqu'elles sont combinées à des électrolytes à base de liquide ionique. En 2014 un composé développé et breveté par le laboratoire a été utilisé dans des modules solaires et intégré dans un bâtiment public (palais des congrès de l'EPFL en Suisse). Dans ce projet de thèse, nous proposons de développer une nouvelle classe de sensibilisateurs organiques contenant des chromophores aromatiques fonctionnels (brevet déposé). Ces molécules contiennent en effet un motif photochrome qui a la propriété de changer de spectre d'absorption sous irradiation. Cette propriété est réversible et en absence d'irradiation les molécules reprennent une forme incolore. Ce concept vient d'être démontré au laboratoire et un brevet est en cours de dépôt. Les hétérocycles aromatiques fonctionnels photochromes seront développés dans la première partie de la thèse et incorporés au sein des structures chimiques des colorants organiques. Les colorants possèderont une structure finale de type push-pull avec un groupe d'ancrage adapté pour le greffage sur des oxydes tels que le TiO2 ou le ZnO. Afin de développer des cellules solaires plus robustes et plus efficaces, il convient d'éliminer dans les cellules à colorants les électrolytes basés sur des solvants volatiles et l'iode qui est un élément corrosif. Nous développerons donc dans un second volet des électrolytes à base de liquides ioniques contenant des systèmes redox sans iode. Plusieurs systèmes rédox sont déjà identifiés et dans ce cadre notre objectif sera d'obtenir des électrolytes transparents et stables. En utilisant les installations de recherche de Hybrid-En et l'équipement qui est disponible au laboratoire SyMMES, les nouvelles molécules et les électrolytes seront complètement caractérisés (structures, propriétés électrochimiques, propriétés optiques), et ils seront incorporés et testés dans les dispositifs. Leurs performances photovoltaïques et leur stabilité seront évaluées dans des conditions de vieillissement accéléré. Un des objectifs de cette thèse sera d'optimiser certains paramètres de fabrication des cellules et de comprendre les mécanismes de photo-génération du courant et les paramètres qui en limitent les performances. Pour cela des études photo-physiques pourront être réalisées en partenariat avec une équipe de l'ICIQ en Espagne avec laquelle le laboratoire a noué une collaboration étroite depuis quelques années. L'objectif final de la thèse sera de donner naissance à une nouvelle génération de cellules solaires présentant une transmission optique variable, efficaces et stables, et de comprendre leurs paramètres de fonctionnement.

  • Titre traduit

    Synthesis and study of photochromes organic dyes to create Variable optical transmission solar cells


  • Résumé

    Among the new photovoltaic technologies, dye sensitized organic cells, also known as 'Grätzel cells', present interesting characteristics for the applications and future developments at an industrial level. In fact, these cells are cheap to make, efficient in non-optimum irradiation conditions and can be semi-transparent. Since 2012, SyMMES laboratory has been developing new purely organic dyes to replace the ones made with ruthenium which are commonly used in these cells. Some of the molecules developed in the laboratory has shown high performances (superior to 10%) and an excellent stability (more than 5000 h under permanent irradiation at 65°C) when combined with ionic-liquid-based electrolytes. During this PhD, it is proposed to develop a new class of of organic sensitizers containing fonctionalised aromatic chromophores (patented). These molecules contain a photochrome motive which has the property to change the absorption spectrum under irradiation. This property is reversible and in absence of irradiation, molecules get back there transparent form. This concept has been proved in the laboratory and is been patented. Fonctionalised aromatic photochromic heterocycles will be developed in the first part of the PhD and added to the chemical structure of the organic dyes. The dyes will in the end have a push-pull structure with an anchoring group adapted to be grafted in oxydes like TiO2 or ZnO. To develop long-lasting and efficient cells, volatile solvent based electrolytes and iodine- which is a corrosive element- will be eliminated. Liquid-ionic-based electrolytes containing iodine free redox systems will be developed in a second part of the PhD. Using the Hybrid-En installations and the equipment available in the SyMMES laboratory, the new molecules and electrolytes will be fully characterised and incorporated and tested in devices. Their photovoltaic performance and stability will be evaluated in accelerated aging conditions. One of the objectives of this PhD is to optimize the cells fabrication parameters and to understand the mechanisms of the photo-generation of the current and the parameters which limit the performances. To do so, photo-physical studies can be realized in partnership with the ICIQ in Spain with who the laboratory has already been in collaboration for a few years. The final objective of the PhD is to create a new generation of solar cells presenting a variable optical transmission which are stable and efficient and to understand their parameters of operation.