Photovolta?que organique : ?tude de la morphologie de films minces, conception, synth?se et ?tude de petites mol?cules pour leur utilisation en h?t?rojonction en volume dans des dispositifs photovolta?ques

par Daniel Hernandez Maldonado

Thèse de doctorat en Chimie mol?culaire

Sous la direction de Kathleen Moineau-Chane Ching.

Soutenue le 16-07-2015

à Toulouse 3 , dans le cadre de ?cole Doctorale Sciences de la Mati?re (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse) (laboratoire) .


  • Résumé

    Les propri?t?s des mat?riaux organiques pour l'opto?lectronique ? base de polym?res ou de petites mol?cules sont fortement influenc?es par l'organisation mol?culaire. En particulier, l'efficacit? de la photoconversion dans les dispositifs ? base de films minces organiques peut ?tre corr?l?e directement ? la morphologie de leurs m?langes actifs. Par cons?quent, une meilleure compr?hension de l'?volution de la morphologie des films minces pendant les divers traitements effectu?s lors de leur ?laboration est essentielle et n?cessaire. D'autre part, l'ing?nierie mol?culaire est un outil crucial pour l'obtention de mol?cules bas?es sur des alternances de fragments accepteurs d'?lectrons ou donneurs d'?lectrons et pr?sentant des valeurs de gap ?lectronique optimales et conduisant ? des dispositifs aux param?tres de photoconversion optimis?s.Dans le pr?sent travail, nous pr?sentons une ?tude approfondie en solution et sur des films minces de poly-3-hexylthioph?ne (P3HT) pur et en m?lange avec des complexes de nickel (Ni-bdt). Le but ?tait de comprendre comment le P3HT interagit avec les complexes de nickel pour contr?ler des ph?nom?nes d'organisation ?ventuels. L'objectif principal de cette ?tude est de comprendre l'organisation mol?culaires au sein des films organiques et son impact sur le transfert de charge entre les mat?riaux afin d'optimiser les rendements de photoconversion. En outre, nous avons con?u et synth?tis? trois nouvelles mol?cules ? faible gap ?lectronique, nomm?es SilOCAO, Bz(T1CAO)2 et Bz(T1CAEH)2 selon des m?thodologies de synth?se optimis?es. Ces mol?cules ont ?t? con?ues avec l'appui de calculs semi-empiriques effectu?s avec le programme Gaussian 09 au niveau B3LYP/6-31G* dans le but de les associer ?ventuellement aux complexes de nickel. Leurs synth?ses et caract?risations compl?tes sont d?crites en d?tail. Les techniques analytiques utilis?es sont la spectroscopie d'absorption UV-visible, la photoluminescence, la r?sonance magn?tique nucl?aire (RMN), la spectroscopie de masse, l'?lectrochimie, l'analyse thermogravim?trique (TGA) et la calorim?trie diff?rentielle ? balayage (DSC). Ces mol?cules pr?sentant des propri?t?s int?ressantes pour leur utilisation en photovolta?que organique, nous avons r?alis? des cellules solaires organiques prototypes. Les r?sultats obtenus sont prometteurs, en particulier dans le cas de la mol?cule SilOCAO, utilis?e ici comme donneur d'?lectrons en association avec le PC71BM. Ce travail est le fruit d'une collaboration pr?cieuse entre plusieurs chercheurs, des th?oriciens et exp?rimentateurs, des laboratoires LAAS et LAPLACE ? Toulouse (France), de l'Universit? Autonome Nationale de Mexico (UNAM) et du Centre de Recherche en Optique (CIO) de Leon (Mexique).

  • Titre traduit

    Organic photovoltaics : study of thin films morphology, design, synthesis, synthesis of new small molecules and their study in bulk heterojunction devices


  • Résumé

    Optoeletronic properties of semiconducting polymeric/small molecules materials are highly influenced by molecules organization. In particular, photoconversion efficiency of organic devices may be correlated directly with their blend morphology. Therefore, a better understanding of the blend film morphology evolution during postproduction treatment and device performance is essential and needed. On the other hand, molecular engineering is a good way to module the band gap of molecules by alternating different electron acceptor or electron donor moieties which may lead to an improved internal charge transfer and a low band gap to achieve important Voc and Jsc, and consequently a good OPV performance. In the present work, we present a comprehensive study in solution and on thin films of pristine P3HT and of some nickel bisdithiolene complexes (Ni-bdt), and their blends, in order to understand how poly(3-hexylthiophene) P3HT interacts with the nickel core with the aim of understanding eventual organization phenomena. The main goal of this study is to understand materials organization and the charge transfer effect between donor and acceptor molecules, rather than focalize on a high photoconversion yields. In addition, we have developed 3 new low band gap small molecules, SilOCAO, Bz(T1CAO)2 and Bz(T1CAEH)2 with innovating synthetic methodologies and interesting applications to be used in thin film bulk heterojunctions (BHJs) for organic photovoltaics. These molecules were strategically designed via semi-empirical calculations (B3LYP/6-31G*) to match their energetic levels (LUMO and HOMO) with those of nickel bisdithiolene family towards a performing charge transfer. The syntheses of SilOCAO, Bz(T1CAO)2 and Bz(T1CAEH)2 have been described. These molecules have been fully-characterized by different techniques such as UV-Visible Spectroscopy, Electroluminescence, Nuclear Magnetic resonance (NMR), Mass Spectroscopy (MS), Electrochemistry, Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Moreover, we have performed organic solar cells prototypes with some promising results, specifically for SilOCAO as the electron-donor in counterpart of the PC71BM as the electron-acceptor. This work is a fruitful collaboration between several laboratories, researchers, technical servers and students from LAAS and LAPLACE in France, and IIM (UNAM) and CIO in Mexico.


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  • Détails : 1 vol. (211 p.)

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2015 TOU3 0103
  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque électronique.
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