Artificial molecular architectures for mimicking photosynthetic Z scheme and optimizing the performances of dye-sensitized solar cells

Matériaux moléculaires pour reproduire le schéma en Z de la photosynthèse et pour l'amélioration des performances des cellules photovoltaïques hybrides à colorant

• Auteur / Autrice : Ludovic Favereau
• Direction : Errol Blart, Fabrice Odobel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie fine, Chimie organique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Muriel Hissler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Errol Blart, Fabrice Odobel, Muriel Hissler, Frédéric Fagès, Bernold Hasenknopf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Fagès, Bernold Hasenknopf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Ruthénium -- Composés organiques

Mots clés libres

Photosynthèse artificielle

Transfert d'électron photo-induit

Cellule photovoltaïque hybride à colorants

Complexe de ruthénium

Porphyrine

Dicétopyrrolopyrrole

Résumé

L’objectif de cette thèse consistait à développer des systèmes moléculaires et hybrides (molécules chimisorbées à la surface d’un semi-conducteur (SC) de type n et p) capables de convertir l’énergie solaire en une forme directement utilisable par l’Homme : énergie électrochimique et électrique. Les deux premiers chapitres décrivent la conception et la synthèse de systèmes moléculaires artificiels en vue de reproduire pour la première fois la fonction du schéma en Z de l’appareil photosynthétique naturel. Pour accomplir cela, notre stratégie, analogue à celle de la Nature, a consisté à lier de façon covalente deux photosystèmes moléculaires distincts : PS1 et PS2, capables d’engendrer chacun, deux processus photoinduits de séparations des charges. La génération des deux états à charges séparées évoqués ci-avant au sein de la même architecture moléculaire, permet alors l’évolution du système vers un état final à charges séparées comprenant un fort oxydant et un fort réducteur, par une réaction de recombinaison des charges entre une espèce réduite du PS2 et une oxydée du PS1, à l’instar du schéma en Z naturel. Le troisième chapitre porte sur les cellules photovoltaïques hybrides à colorant fondées sur l’emploi d’un SCp (NiO). En vue d’améliorer les performances de celles-ci par une meilleure compréhension des processus impliqués, trois colorants organiques fondés sur les dicétopyrrolopyrroles ont été synthétisés et testés dans des dispositifs photovoltaïques. L’ingénierie de l’interface « colorant-NiO » par passivation de la surface du SC a permis d’obtenir des rendements de photoconversion intéressants, offrant de nouvelles perspectives pour l’amélioration de ces cellules.

The aim of this thesis concerns the development of new photomolecular and hybrid systems (molecules chemisorbed at the surface of a n- and p-type semiconductor) to convert solar energy into electrochemical and electrical energy. The first two chapters involve the synthesis and the characterization of new molecular materials to mimic, for the first time, the Z scheme function of oxygenic photosynthesis. The concept proposed herein consists in electronically coupling two photoinduced charge separation processes brought about by two photons inside two distinct photomolecular systems: PS1 and PS2. Inside the same molecular architecture, the formation of the two charge separated states noted above brings on the production of a final charges separated state containing a strong oxidant and a strong reductant, similary to what occurs in natural photosynthesis. The final chapter deals with the sensitization of p-type semi-conductors for photovoltaic conversion. New organic dyes based on the diketopyrrolopyrrole unit were synthetized and characterized, allowing us to enhance NiO DSSC photoconversion efficiency. Moreover, the engineering of the “Dye-NiO” interface by a passivating layer offers the possibility to obtain higher photoconversion efficiency (PCE), and paving the way to new strategies to enhance the PCE of this type of device.