Synthèse et modélisation de polyfullèrenes

Synthesis and modeling of polyfullerenes

• Auteur / Autrice : Hugo Santos Silva
• Direction : Roger C. Hiorns
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique chimie
• Date : Soutenance le 16/07/2015
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Eberhard-Karls-Universität (Tübingen, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Produits de condensation (chimie)

Chimie quantique

Stabilité

Conversion photovoltaïque

Fullerènes

Mots clés libres

Fullèrenes

Photovoltaïque organique

Stabilité

Modélisation

Synthèse.

Fullerenes

Organic photovoltaics

Stability

Modeling

Synthesis.

Résumé

Les travaux développés au cours de cette thèse comprennent le dessin, modélisation, synthèse et caractérisation de nouveaux matériaux polymérisés à base de fullèrene. Dans le cadre d'une utilisation au sein de cellules photovoltaïques, ces matériaux doivent démontrer propriétés telles que solubilité dans des solvants organiques, miscibilité avec le polymère absorbeur de lumière et stabilité morphologique supérieures à celles rencontrées pour les matériaux déjà en utilisation, tels les (bis-)PC60BM et les dérivés d'indene-C60. Six routes de synthèse différentes ont été étudiées et les propriétés électroniques (énergie de LUMO, électroaffinité, électrophylicité, énergies de réorganisation, intégrale de transfert et mobilité électronique) qui en résultent ont été déterminées par des méthodologies de modélisation numérique. Parmi ces composés modèles, la route dite ATRAP a été retenue pour être synthétisée vue qu'elle a été peu étudiée dans la littérature. Les propriétés physico-chimiques de ces composés synthétisés avec des différentes chaînes latérales ont été déterminées par plusieurs techniques et leur application dans des couches minces au sein des dispositifs photovoltaïques a été mise en place. Quand utilisés comme additifs, ces matériaux présentent un potentiel de stabilisation de la couche de P3HT/PC60BM, vu que la performance des cellules qui l'ont est très peu affectée. Le comportement de ces couches sous traitement thermique a montré un effet de non-stabilisation dont le mécanisme a été, lui aussi, étudié par diverses techniques expérimentales. Finalement, un mécanisme de dépolymérisation induit par lumière et/ou chaleur a été proposé. Selon ceci, la cassure de la liaison chimique entre le monomère et le fullèrene est responsable pour la création des défauts, dépolymérisation, cross-linkings et réarrangement irréversible de la couche mince. Cette cassure peut être soit thermiquement activée, soit par l'état triplet du monomère qui déstabilise cette même liaison. Outre que l'étude de ces composés, la stabilisation de l'interface organique-inorganique en dispositifs photovoltaïques, la stabilisation de la chaîne latérale des polymères conjugués et la relation entre affinité avec oxygène moléculaire et la géométrie de la molécule en question ont été adressées. Ces études parallèles ont été achevées par la proposition de nouveaux matériaux hybrides du type donneur-accepteur dérivés de hexabenzocoronene capables de s'empiler dans des structures similaires à des cristaux liquides discotiques. À partir des connaissances acquises au cours de ce document, deux composés ont été proposés et leurs propriétés électroniques montrent qu'il est possible de dessiner des matériaux qui peuvent être, à la fois, stables et efficaces pour être utilisés dans le domaine du photovoltaïque organique.

The work developed during this thesis include the design, modeling, synthesis and characterization of new polymeric materials based on fullerenes. In the optics of a use within photovoltaic cells, these materials have to present particular properties, among which a good solubility in organic solvents, a good miscibility with the light-absorber polymer as well as a morphological stability superior to those currently used materials, such as (bis-)PC60BM and the derivatives of indene-C60. Six different synthetic routes were studied and the electronic properties (LUMO orbital energy, electroaffinity, electrophilicity, reorganization energy, transfer integral and electron mobility) risen were determined by molecular modeling. Among these routes, the one called ''ATRAP'', not much studied in the literature yet, was finally retained. The physical-chemical properties of the so-synthesized materials, grafted with different lateral chains, were determined by different characterization techniques and their application in thin films for Organic Photovoltaic devices was performed. When used as additives, these materials display a potential of stabilizing the P3HT/PC60BM layer, and this does not influence the performance of the device. After a thermal treatment, this behavior was the opposite of the expected, though: a destabilization of the active layer was noted which mechanism was also studied by several experimental techniques. Finally, a depolymerization mechanism induced by light and/or heat was proposed. Within this process, the cleavage of the monomer-fullerene bond is responsible for creating defects, such as the depolymerization, cross-linkings or irreversible rearrangement of the thin layer. This cleavage can be either thermally activated or induced by the triplet state of the monomer, which also destabilizes this bond. Beyond that, this work was also interested i) to the stabilization of the organic-inorganic interface within photovoltaic devices, ii) to the stabilization of the lateral chain of conjugated polymers, as well as iii) the relation between the geometry of a carbon-based molecule and its reactivity to molecular oxygen. These studies, performed in parallel, drove to the proposition of new donor-acceptor hybrid materials based on hexabenzocoronene, which are capable of stacking over itself to form supramolecular structures similar to discotic liquid crystals. From the conclusions of this document, two products were proposed, which electronic properties reveal that it is possible to design new materials that may be stable and efficient at the same time for application in organic photovoltaics.