Colorants et monomères électroactifs conjugués pour matériaux de transport de trous appliqués aux cellules solaires à colorant à l’état solide

Dye and electroactive monomer conjugates for hole transfer material in solid-state dye-sensitized solar cells

• Auteur / Autrice : Zijun Xu
• Direction : François Maurel, Chang-Zhi Dong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 05/05/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Mangeney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Mangeney, David Kreher, Pei Yu, Corinne Lagrost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Kreher, Pei Yu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colorants -- Chimie

Photopolymérisation

Cellules solaires à colorant

Liaisons covalentes

Mots clés libres

Cellules solaires à colorant solide

Photopolymérisation électrochimique in-situ

Colorants organiques donneur-accepteur

Liaison covalente

Matériaux transporteur de trous

Polymère conducteur

Solid-state dye-sensitized solar cells

In-situ photo-electrochemical polymerization

Donor-linker-acceptor organic dyes

Covalent link

Hole transporting material

Conducting polymer

Résumé

L'objectif de ce travail est de développer des cellules solaires sensibilisées aux colorants à l'état solide (ss-DSSC) afin d'optimiser le transfert de charge interfacial dans la cellule solaire. Malgré la large utilisation d'électrolytes liquides, les problèmes de stabilité liés à l'évaporation des solvants ainsi que les fuites de liquide ont limité la production à grande échelle et la commercialisation de cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC). Le remplacement de l'électrolyte liquide par des matériaux de transport de trous solides (HTM) est indispensable pour le développement à long terme des dispositifs. Les polymères conducteurs ont été choisis dans ce travail comme HTM en raison de leur haute conductivité de trou, leur bonne stabilité et leur préparation facile. Faisant partie de la molécule de colorant nouvellement conçue (autrement appelée sensibilisateur), le carbazole, monomère électroactif, est utilisé comme initiateur pour la copolymérisation avec le bis-(3,4 éthylènedioxythiophène) (bis-EDOT) comme précurseur dans le processus de polymérisation photo-électrochimique (PEP) in situ, pour assurer la liaison covalente entre le centre actif de la lumière et le copolymère généré, qui sert de HTM. L'interface entre le colorant et l'HTM est ainsi naturellement éliminée. En outre, l'effet de blocage de la chaîne alkyle en termes de performances des ss-DSSC a également été étudié en modifiant la structure moléculaire du colorant. La thèse est composée de cinq chapitres. Le chapitre 1 donne un contexte général des cellules solaires photovoltaïques. Le chapitre 2 se concentre sur les DSSCs, y compris les composants, le principe de fonctionnement et les techniques de caractérisation des DSSCs. Le chapitre 3 commence par présenter les différents types de sensibilisateurs et examine comment concevoir un nouveau colorant organique qui pourrait être lié de manière covalente au HTM. Le chapitre 4 présente les résultats des DSSC fabriqués avec le colorant conçu à l'origine. Le chapitre 5 relie les aspects théorique et empirique et examine les implications des résultats pour les études futures dans ce domaine.

The objective of this work is to develop solid-state dye sensitized solar cells (ss-DSSCs) in order to optimize the interfacial charge transfer within the solar cell. Despite of the broad use of liquid electrolyte, stability issues arose from solvent evaporation as well as liquid leakage have limited the large-scale production and commercialization of dye sensitized solar cells (DSSCs). The replacement of liquid electrolyte with solid hole transport materials (HTMs) is indispensable for long-term developments of devices. Conducting polymers is chosen in this work as HTM for its higher hole conductivity, good stability and facile preparation. Part of the newly designed dye molecule (otherwise called sensitizer), the electroactive monomer carbazole is used as initiator for co-polymerization with bis-(3,4 ethylenedioxythiophene) (bis-EDOT) as precursor in the in-situ photoelectrochemical polymerization (PEP) process, to ensure the covalent link between the light active center and the generated co-polymer, which serves as HTM. The interface between the dye and HTM is naturally removed as a result. Moreover, the blocking effect of alkyl chain in terms of the performances of ss-DSSCs has also been investigated by altering the molecular structure of dye. The thesis is composed of five chapters. Chapter 1 gives a general context of photovoltaic solar cells as an introductory chapter. Chapter 2 focuses on the DSSCs including the components, working principle and characterization techniques of DSSCs. Chapter 3 begins by laying out different types of sensitizers and looks at how to design new organic sensitizer which could be covalently linked to the HTM. Chapter 4 presents the results of DSSCs fabricated with originally designed sensitizer. Chapter 5 ties up theoretical and empirical strands with a discussion of the implication of findings to future study in the area.