Matériaux dérivés de colorants pour le photovoltaïque organique

Dye-based materials for organic photovoltaics

• Auteur / Autrice : Pierre Josse
• Direction : Philippe Blanchard, Clément Cabanetos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/12/2018
• Etablissement(s) : Angers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers / MOLTECH-ANJOU
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Serein-Spirau, Bruno Schmaltz, Renaud Demadrille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Audebert, Olivier Maury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colorants -- Chimie

Polymères conjugués

Systèmes chimiques

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Photovoltaïque organique

Systèmes π-Conjugués

Accepteurs non-Fullerène

Dicétopyrrolopyrrole

Benzothioxanthène imide

Organic photovoltaics

Π-Conjugated systems

Non-Fullerene acceptors

Conjugated polymers

Diketopyrrolopyrrole

Benzothioxanthene imide

Résumé

Le développement du photovoltaïque organique (OPV) depuis une vingtaine d’années a permis une hausse significative des rendements de photoconversion qui atteignent aujourd’hui 14 %. Ces progrès résultent à la fois de l’optimisation de l’architecture des cellules solaires organiques (OSCs) ainsi que de la mise au point de matériaux donneurs (D) et accepteurs (A) d’électrons performants. Cependant, la complexification notable des voies de synthèse de ces matériaux limite la production à grande échelle de modules OPV en raison de coûts de production élevés et de génération de nombreux déchets. Dans ce contexte et après un premier chapitre retraçant l’historique de l’OPV et les découvertes ayant contribuées à son succès, un deuxième chapitre traite de l’utilisation d’un colorant simple, le dicétopyrrolopyrrole (DPP), dans des matériaux de type p ou n. De nouveaux accepteurs moléculaires ont été synthétisés et l’impact de la nature des chaines solubilisantes et de l’espaceur π-conjugué sur leurs propriétés optoélectroniques est présenté. Un nouveau copolymère de DPP et de spirobifluorène, facilement accessible par des voies de synthèse plus respectueuses de l’environnement, a aussi été développé et caractérisé lors de ce travail et ses performances photovoltaïques sont détaillées. Un troisième chapitre se focalise sur le benzothioxanthène imide (BTXI), bloc encore méconnu dans le domaine de l’électronique organique. Les propriétés électroniques de ce dernier ont été caractérisées et, après une optimisation de sa voie de synthèse, des dérivés de BTXI ont été intégrés avec succès dans des dispositifs de type OSCs et transistors organiques en couche mince (OTFTs).

Intense development of organicphotovoltaics (OPVs) in the last twenty years led toincreasing photoconversion efficiencies, which are nowabout 14 %. Electron donating (D) and electronaccepting (A) materials used in such solar cells havereceived considerable attention from the academicsaround the world and are still continuously improved.However, those performing materials requirenumerous synthetic steps and the use of toxicchemicals to be produced, which jeopardize their futurecommercialization.In this context, after a first chapter reviewing recentprogresses in OPV, a second chapter will focus on asimple dye, namely the diketopyrrolopyrrole (DPP) andits use in p and n type materials.New molecular DPP-based acceptors weresynthetized and the impact of the solubilizing chainsalong with the -conjugated spacer on theirphotovoltaic properties are discussed. Then, a newDPP and spirobifluorene (SBF) based copolymer wassynthetized by a more environmentally friendlysynthetic route and its photovoltaic properties aredetailed.A third chapter focuses on the benzothioxantheneimide (BTXI), a building block that has not yettriggered much interest in the organic electronicscommunity. Electronic properties of the latter werecharacterized and, after its synthetic pathway wasoptimized, new BTXI based molecular materials weresynthesized and used in organic solar cells andorganic thin-film transistors (OTFTs).