Etude des propriétés de transport optique et électronique de certains films minces (basés sur polymères conjugués) pour des applications de cellules solaires organiques

Study of optical and electronic transport properties of some thin films (based on conjugated polymers) for organic solar cell applications

• Auteur / Autrice : Laura Hrostea
• Direction : Mihaela Girtan, Liviu Leontie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : Angers en cotutelle avec Universitatea Alexandru Ioan Cuza (Iaşi, Roumanie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de photonique d'Angers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Antohe, Michael Kompitsas, Felicia Iacomi, Diana Mardare
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johann Bouclé, Gurlui Silviu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction électrique

Fullerènes

Cellules solaires polymères

Mots clés libres

Physique

Non-Fullerènes

Conductivité électrique

Solar cells

Polymers

Fullerenes

Non-Fullerenes

Electric conductivity

Résumé

Compte tenu de la crise énergétique mondiale et de la volonté de protéger la planète en réduisant les émissions de dioxyde de carbone et l'effet de serre, le remplacement des sources d'énergie conventionnelles par des sources non-conventionnelles prime, tant dans le domaine technologique, ainsi que dans celui de la recherche scientifique. Axée principalement sur l'énergie solaire, la thèse présente des notions approfondies sur les processus physiques et les phénomènes sous-jacents à la conversion de l'énergie solaire en électricité, par exemple,l'effet photovoltaïque ou les phénomènes de transport de charges électriques dans un matériau organique semi-conducteur. L'étude expérimentale est basée sur l'investigation de couches minces de polymères conjugués (P3HT et PBDBT-SF) déposé par centrifugation sur des substrats en verre ou en oxyde d’indium dopé à l'étain (ITO), sous diverses formes et structures: monocouche, mélangé avec des fullerènes (PCBM) et des non-fullerènes (IT-4F), ou chimiquement sensibilisé par chlorure de fer. Les structures ont été caractérisées optiquement (spectrophotométrie et ellipsométrie), structurellement (diffractométrie aux rayons X, spectroscopie aux rayons X), morphologique (microscopie à force atomique) et électrique (extraction des charges électriques par augmentation linéaire de la tension - CELIV). Les objectifs de cette étude sont de mettre en évidence les propriétés du polymère PBDB-T-SF par rapport au P3HT et de comprendre les relations entre les propriétés physiques possédées dans différentes structures, d'identifier les limites et les possibilités de son amélioration afin d'augmenter l'efficacité d'une cellule solaire.

Given the global energy crisis and the desire to protect the planet by reducing carbon dioxide emissions and the greenhouse effect, the replacement of conventional energy sources with unconventional sources (non-polluting and inexhaustible) takes precedence, both in the technological field, as well as in that of scientificresearch. Focusing mainly on solar energy, the thesis presents in-depth notions about the physical processes and phenomena underlying the conversion of solar energy into electricity, for example, the photovoltaic effect or phenomena of charge carrier transport in an organic semiconductor material (conjugated polymers). The experimental study is based on the investigation of conjugated polymers thin layers (P3HT and PBDB-T-SF) spin coated on glass or indium tin oxide substrates (ITO), in various forms and structures: unilayer, in bulkheterojunctionswith fullerenes (PCBM) and non-fullerenes (IT-4F), or chemically sensitized by iron chloride. The structures were characterized optically (spectrophotometry and ellipsometry), structurally (X-ray diffractometry, X-ray photoelectron spectroscopy), morphologically (atomic force microscopy) and electrically (charge extraction by linear voltage increase - CELIV). The objectives of this study are to highlight the properties of PBDB-T-SF polymer in respect with P3HT and to understand the interdependency of physical properties possessed in different structures, identifying limitations and possibilities for its improvement in order to increase the efficiency of a solar cell.