Contrôle de la morphologie de nanoparticules de semi-conducteurs organiques pour des cellules solaires photovoltaïques fabriquées par encres aqueuses

Control of organic semiconductor nanoparticles morphology for water-processable photovoltaic solar cells

• Auteur / Autrice : Hugo Laval
• Direction : Sylvain Chambon, Guillaume Wantz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 06/11/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Serge Ravaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Séguy, Francesca Brunetti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mariano Campoy-Quiles, Anne Hébraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique à balayage

Nanotechnologie

Systèmes photovoltaïques

Nanoparticules

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Photovoltaïque

Organique

Nanoparticules

Morphologie

STXM

Nanotechnologie

Photovoltaic

Organic

Nanoparticles

Morphology

STXM

Nanotechnology

Résumé

Pour rendre le procédé de fabrication des cellules solaires organiques plus écoresponsable, l'utilisation de solvants toxiques doit être remplacée par une solution plus propre. Cette thèse aborde cette problématique en explorant l’utilisation de l'eau comme alternative. Comme la plupart des semi-conducteurs organiques ne sont pas solubles dans l'eau, la stratégie pour surmonter cette contrainte consiste à former des nanoparticules à partir de ces matériaux, qui peuvent ainsi être dispersées dans l'eau. Deux méthodes principales sont utilisées dans la communauté pour obtenir de telles dispersions aqueuses : la mini-émulsion et la nano-précipitation. Les nanoparticules synthétisées par cette dernière présentent une morphologie interne plus favorable entre les matériaux donneurs et accepteurs par rapport à la mini-émulsion. De ce fait, les cellules solaires fabriquées à base de dispersions aqueuses préparées par nano-précipitation montrent des rendements beaucoup plus élevés. Le travail entrepris dans cette thèse vise à comprendre et à surmonter les limitations liées à la morphologie interne des nanoparticules préparées par mini-émulsion. En particulier, nous avons étudié l'influence de l'énergie interfaciale entre les matériaux donneurs et accepteurs sur la morphologie interne des nanoparticules. Des nanoparticules composites de PTQ10 et de différents matériaux accepteurs ont été formées et étudiées à l'aide de techniques de microscopie avancées (STXM, AFM, cryo-TEM). L'analyse a montré qu'un système donneur/accepteur avec une faible énergie interfaciale tel que le PTQ10:Y6 est bénéfique pour obtenir des nanoparticules avec une morphologie inter-mixée. Par conséquent, les cellules solaires fabriquées avec des nanoparticules de PTQ10:Y6 ont atteint une efficacité de conversion énergétique de 9,98 %. Un traitement à haute température a été nécessaire pour fritter les nanoparticules tout en maintenant une morphologie et une cristallinité favorables. Cependant, une telle température élevée n'est pas adaptée à un processus industriel. Pour réduire cette température, la longueur des chaînes alkyles des matériaux donneurs et accepteurs a été identifiée comme un facteur clé. En examinant des polymères avec des chaînes alkyles courtes et longues, il a été observé que le polymère avec les chaînes les plus longues permettait un traitement à une température plus basse, atteignant des efficacités supérieures à 10 % lorsqu'il est associé au Y6. Cette thèse a aussi exploré le lien entre la morphologie et le transport des porteurs de charges au sein des nanoparticules en développant dispositifs à canal nanométrique. Dans ces canaux, nous avons réussi à piéger des nanoparticules de type cœur-écorce à l’aide de la force diélectrophorétique. Ce résultat a montré que la morphologie des nanoparticules et la composition de l’écorce n'ont pas d'impact significatif ni sur la mobilité des charges dans les nanoparticules, ni sur les performances finales des cellules solaires.

In order to improve the sustainability of the organic photovoltaics, the use of toxic solvents for processing organic solar cells needs to be replaced by a cleaner alternative. The present thesis tackles this issue by exploring a way of replacing these solvents by water. As most organic semiconductors are not soluble in water, the strategy to overcome this constrain is to form nanoparticles from these materials, that are thus able to be dispersed in water. Two main methods are employed in the community to obtain such an aqueous dispersion, the miniemulsion and the nanoprecipitation. Nanoparticles synthesised with the latter method are known to present a more favourable internal morphology between the donor and acceptor materials as compared to the former method. As a result, water-processable organic solar cells prepared from nanoprecipitation demonstrate much higher efficiencies. The work undertaken in this thesis aims to understand and overcome the limitations arising from the internal morphology of the nanoparticles prepared by miniemulsion. In particular, we studied the influence of the interfacial energy between the donor and acceptor material on the nanoparticle internal morphology. Composite nanoparticles of PTQ10 associated with various acceptor small molecules were formed and studied with advanced microscopy techniques (STXM, AFM, cryo-TEM). The analysis showed that having a system with a low interfacial energy, such as PTQ10:Y6, is beneficial in obtaining nanoparticles with intimate morphology. As a result, organic solar cells fabricated with nanoparticles of PTQ10:Y6 have hence reached a power conversion efficiency of 9.98 %. A thermal treatment at high temperature was necessary in order to sinter the nanoparticles while keeping a favourable morphology and crystallinity. Such a high temperature is yet not suitable for an industrial process. To reduce this temperature, the alkyl chains length of both the donor and acceptor materials were found to play an important role. Through the screening of polymers having short and long alkyl chains associated with the acceptor material Y6, the polymer with the longer chains enabled processing at a lower temperature, achieving efficiencies exceeding 10%. Moreover, this work explores the link between nanomorphology and charge transport within nanoparticles by developing nanogap devices. Dielectrophoresis force has been successfully used to insert core-shell nanoparticles in the nanogap. This result shows that nanoparticle morphology and shell composition do not have a dramatic impact on the charge mobility within the nanoparticle or the overall performance of the solar cells.