Conception et synthèse de colorants sélectifs du proche infrarouge pour des applications en cellules solaires hybrides transparentes et incolores ainsi que pour la production d’hydrogène

Development of selective near infrared absorption dyes for applications in colorless and transparent dye sensitized solar cells and for solar driven hydrogen production

• Auteur / Autrice : Thibaut Baron
• Direction : Fabrice Odobel, Yann Pellegrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie Et Interdisciplinarité : Synthèse, Analyse, Modélisation (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Claudia Barolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adèle Renaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Jousselme, Renaud Demadrille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Phtalocyanines

Cellules solaires à colorant

Photopiles

Mots clés libres

Pyrrolopyrroles cyanines

Résumé

Il est séduisant d’imaginer l’intégration de panneaux photovoltaïques dans les fenêtres grâce à des vitraux électrogènes tout en bénéficiant de l’éclairage naturel ; ce qui permettrait d’étendre considérablement le champ d’application du photovoltaïque. Ces travaux de thèse s’inscrivent justement dans ce cadre puisque l’objectif était de mettre au point des sensibilisateurs à absorption sélective dans la fenêtre du proche infrarouge (NIR) de façon à développer des cellules à colorant (DSSC) qui soient transparentes et incolores. Dans un premier chapitre, nous avons synthétisés des colorants à base de phtalocyanines de zinc substitué par de fonctions thioéthers, ainsi que des composés quadrupolaires de structures “A-D-A”. Bien que ces colorants absorbent fortement dans le NIR, leurs performances photovoltaïques se sont avérées décevantes avec des efficacités inférieures à 1%, mais de nombreuses voies d’optimisation restent possibles. Dans un second temps, nous nous sommes tournés vers une nouvelle famille de colorants à base de pyrrolopyrroles cyanines (PPcys). Une première série de sensibilisateurs à structure symétrique comportant une fonction acide carboxylique à chaque extrémité a permis de valider l’intérêt de ces composés pour le but poursuivi puisqu’un rendement de photoconversion de 3,85% a pu être atteint avec un AVT (average visible transparency) de 66%. Ces composés ont ensuite été optimisés en remplaçant un groupe acide carboxylique par une fonction tris-arylamine ; ce qui a permis d’accéder à un rendement de photoconversion de 4,10%. Finalement, l’utilisation de ces colorants a été étendue avec succès à la production photo-catalytique d’hydrogène via les systèmes DSP (dye sensitized photocatalytic) démontrant ainsi la possibilité de réduire l’eau avec des photons de faible énergie (> 750 nm).

It is tantalizing to imagine integrated transparent solar panels in the windows to generate electric power while retaining natural lighting. Such applications would permit to broaden the applicability of photovoltaic and to produce energy with buildings. The topic of this thesis precisely focuses on this objective as it aim at the synthesis of selective NIR absorbing dyes in order to develop completely transparent and colorless dye sensitized solar cells (DSSCs). Firstly, we focused on two family dyes such as zinc phthalocyanine substituted with thioether unit and quadrupolar compounds with “A-D-A” structure. Even though these derivatives absorb selectively in the NIR region, the results obtained are quit disappointing with a power conversion efficiency (PCE) lower than 1%. Nevertheless, many improvement strategies are possible and are currently in progress.In a second time, a new family of chromophore based on pyrrolopyrrole cyanines dyes (PPcys) were investigated. We, first, designed symmetrical sensitizers containing carboxylic acid function in each side of the cyanine backbone and photovoltaic study showed outstanding results, with PCE reaching to 3.85% with an AVT (average visible transmittance) of 65%. The structure of these dyes was then optimized, and one carboxylic acid unit was substituted by a tris-arylamine unit leading to three different asymmetrical derivatives. Photovoltaic properties were enhanced to 4.10%, which correspond to the highest value reported for a selective NIR dye. PPcy dyes were finally successfully implemented in DSP systems (dye sensitized photocatalytic) for solar driven hydrogen production demonstrating the capability of PPcy to reduce water with low energy photon (> 750 nm).