Optimisation de cellules solaires organiques pour applications indoor innovantes

Optimization of organic solar cells for innovative indoor applications

• Auteur / Autrice : Ruoxue He
• Direction : Bernard Ratier, Johann Bouclé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l’information
• Date : Soutenance le 17/12/2024
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Philippe Leclère
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Leclerc, Pierre Audebert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clément Cabanetos, Guillaume Wantz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique omniprésente

Semiconducteurs organiques

Mots clés libres

Cellules solaires organiques

Récupération d’énergie indoor

Accepteurs non fullerène

Internet des objets (IoT)

Photovoltaïque d'intérieur

Hétérojonction en vrac

Organic solar cells

Indoor energy harvesting

Non-fullerene acceptors

Internet of things (IoT)

Indoor photovoltaics

Bulk-heterojunction

Résumé

Les cellules solaires organiques (OSC) à hétérojonction en volume (BHJ) semblent être des candidates idéales pour alimenter les appareils de l'Internet des objets (IoT) en conditions intérieures en raison de leur compatibilité avec les technologies d'impression à faible coût, leur flexibilité, et leur efficacité de conversion de puissance élevée (PCE) sous faible illumination. De plus, l'adaptabilité des matériaux organiques permet de moduler précisément leurs propriétés optiques et électroniques pour que leur absorption corresponde idéalement aux spectres d’émission des sources d’éclairage de type LED. Cependant, des améliorations supplémentaires de l'efficacité et de la stabilité sont nécessaires pour exploiter leur potentiel. Dans cette thèse, nous avons étudié plusieurs stratégies liées aux matériaux de couches actives pour améliorer les performances des OSC en conditions indoor. Le premier objectif était d’intégrer de nouveaux accepteurs non fullerènes (NFA), notamment à base d'heptazines, pour mieux exploiter la région bleue (400-500 nm) de l’émission des LED blanches, qui reste mal adressées à ce jour. Des dérivés d'heptazine innovants ont été étudiés et intégrés dans les couches actives des OSC dans ce contexte. Bien que des propriétés optiques et morphologiques appropriées aient été observées, ainsi qu’une séparation de charge prometteuse entre les matériaux donneurs et accepteurs, des limitations spécifiques de performance, telles qu’une faible génération de photocourant, ont été mises en évidence. Néanmoins, ce travail jette les bases d'une optimisation supplémentaire des NFA à base d'heptazine pour les applications OSC en intérieur. La deuxième orientation de recherche s'est concentrée sur l'optimisation de la couche active OSC à base du mélange PF2:ITIC, utilisé pour la première en intérieur.. À cette fin, nous avons exploité plusieurs paramètres cruciaux tels que la sélection du solvant, l'épaisseur de la couche active et le rapport donneur/accepteur (D:A). Grâce à des techniques spécifiques de caractérisation en champ proche, nous avons identifié le chlorobenzène (CB) comme le solvant le plus efficace pour traiter le mélange PF2:ITIC, produisant des couches actives lisses et uniformes avec d'excellentes caractéristiques morphologiques. L'augmentation de l'épaisseur de la couche active de 100 nm à 270 nm a considérablement amélioré l'absorption de la lumière dans la région bleue, ce qui a entraîné un photocourant plus élevé, permettant ainsi de démontrer des dispositifs atteignant un PCE allant jusqu'à 11,95 % avec un VOC élevé de 0,73 V sous un éclairage LED chaud à 1000 lux. Ce travail démontre finalement l'importance d'une conception moléculaire innovante et de l'optimisation du système pour améliorer les performances des OSC pour les applications intérieures.

Organic solar cells (OSCs) based on a bulk-heterojunction (BHJ) concept are emerging as ideal candidates for powering indoor Internet-of-things (IoT) devices due to their compatibility with low-cost printing technologies, flexible substrates, and high power conversion efficiency (PCE) under indoor lighting. Additionally, the tunability of organic materials allows for precise adjustments in their optical and electronic properties to ideally match the emission spectra of indoor sources such as LEDs. This adaptability makes OSCs particularly promising for indoor environments. However, further improvements in efficiency and stability are needed to exploit their potential. In this thesis, several strategies were explored to improve OSC performance for indoor applications. The first focus was on the integration of novel non-fullerene acceptors (NFAs), especially heptazine-based, to better address the blue region (400-500 nm) of white LED emission, which remains a specific challenge. Innovative Heptazine derivatives were studied and integrated into OSC active layers in this context. Although suitable optical and morphological properties were observed, as well as promising charge separation between donor and acceptor materials, specific limitations in performance, such as low photocurrent generation, were evidenced. Nevertheless, this work lays the foundation for further optimization of heptazine-based NFAs for indoor OSC applications. The second research direction focused on optimizing the PF2:ITIC-based OSC active layer for indoor applications. To this end, we explore several crucial parameters, such as solvent selection, active layer thickness, and donor-to-acceptor (D:A) ratio. Thanks to specific near-field characterization techniques, we identified chlorobenzene (CB) as the most effective solvent to process the PF2:ITIC blend, producing smooth, uniform active layers with excellent morphological features. Increasing the active layer thickness from 100 nm to 270 nm significantly improved light absorption in the blue region, resulting in a higher photocurrent, enabling the demonstration of devices achieving PCE up to 11.95% with a high VOC of 0.73 V under warm LED illumination at 1000 lux. Finally, this work demonstrates the crucial importance of innovative molecular design and system optimization in improving the performance of OSCs for indoor applications.