Synthèse, caractérisation et nanostructuration de dérivés du polythiophène pour des applications en cellules photovoltaïques organiques

Synthesis, characterization and nanostructuration of polythiophene derivatives for organic photovoltaic solar cells

• Auteur / Autrice : Solenn Berson
• Direction : Stéphane Guillerez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Sciences des polymères
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polythiophènes

Mots clés libres

Cellule photovoltaïque

Morphologie

Fibrilles

Nanostructuration

P3ht

Réseaux interpénétrés

Résumé

Ce travail est consacré à la synthèse de dérivés du polythiophène de faibles gaps conservant des potentiels d'oxydations élevés. Des thiophènes di substitués et des bithiophènes «Donneur-Accepteur» ont été synthétisés puis polymérisés. Les chaines latérales de ces polymères, groupement donneurs ou attracteurs, ont été modifiées afin de moduler les propriétés optiques et électrochimiques du matériau. Ces polymères ont également été testés en mélange avec le PCBM en cellules photovoltaïques en réseaux interpénétrés. Les Voc délivrées par les dispositifs ont montré une dépendance linéaire en fonction du potentiel d'oxydation des polymères atteignant des valeurs de 0,8 V avec les copolymères à base de cyanothiophène et d'alkyl- ou alkoxythiophène. Malgré des rendements de 1 %, ces performances restent inférieures à celle du P3HT. Des optimisations en termes de morphologie sont certainement nécessaires. En effet, la morphologie des couches actives joue un rôle primordial dans l'obtention de hauts rendements de conversion. Une technique originale de structuration du polymère à l'échelle nanométrique a été développée conduisant à l'élaboration de fibrilles de P3HT. Ces nanostructures, présentant un degré d'ordre important, se forment spontanément en solution. Leur taux par rapport au matériau amorphe est parfaitement contrôlable et ajustable en solution et sous forme de film. Les mesures de mobilités montrent une forte amélioration du transport de charge au sein de ces couches fibrillaires par rapport à un film classique de P3HT obtenu sans recuit. Des rendements de conversion photovoltaïque de 3,6 % sur verre et 3,3 % sur plastique ont été atteints sans recuit.

This work is devoted to the synthesis of polythiophene derivatives with low bandgap and preserving high oxidation potential. Disubstituted thiophenes and "Donor-Acceptor" bithiophenes were synthesized and then polymerized. The side chains of these polymers, donor or acceptor, were modified in order to tune the properties of material as weil from the optical point of view as electrochemical. These polymers were also tested in blend with PCBM in bulk-heterojunction photovoltaic cells. V oc delivered by the devices showed a linear dependence according to the potential of oxidation of the polymers. Copolymers containing cyanothiophene and alkyl- or alkoxythiophene showed values of 0. 8 V. However,in spite of power conversion efficiency of 1 %, these performances remain lower than the one obtained with the P3HT. Optimizations in terms of morphology are certainly necessary. Indeed, the morphology of the active layer plays a key role in obtaining high power conversion efficiency. An original technique of nanostructuration of the pol ymer on a nanometric scale was developed during this work, leading to the development of fibrillar P3HT. These nanostructures, presenting an important degree of order, are formed spontaneously in solution. Their rate compared to amorphous material is perfectly controllable and adj us table in solution and in solid state. Measurements of mobilities show a strong improvement of the transport of load within these fibrillar layers compared to a traditional film of P3HT obtained without annealing. Power conversion efficiencies of 3. 6 % on glass and 3. 3 % on plastic were reached without annealing.