Monocouches auto‐assemblées et nanostructures de métaux nobles : préparation et application au photovoltaïque

Self‐assembled monolayer and noble metal nanostructures : preparation and application to organic photovoltaics

• Auteur / Autrice : Yannick Dufil
• Direction : Lionel Patrone, Jean-Michel Nunzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 06/11/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM) - CMPO Experimental: physique de la matière condensée et optique (Kingston, Canada)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Manuel Raimundo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Petitjean, Olivier Lebel, Carole Fauquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Leclère, Bernard Ratier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Nanostructures

Monocouches moléculaires autoassemblées

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Pentacène

Ptcdi-C5

Photovoltaïque organique (OPV)

Nanostructure

Argent

Monocouche auto-Assemblée (SAM)

(3-Triméthoxysilylpropyl) diéthylènetriamine (DETAS)

Pérylène tétracarboxylique dianhydride (PTCDA)

Raman

Atr-Ftir

Humidité relative

Pentacene

Ptcdi-C

Organic Photovoltaics (OPV)

Nanostructures

Silver

Self-Assembled monolayers (SAM)

(3- trimethoxysilylpropyl) diethylentrimaine (DETAS)

Perylene tetracarboxylicdianhydrid (PTCDA)

Raman

Atr-Ftir

Relative humidity

Résumé

Au cours de ce travail, dans une première approche descendante, nous avons étudié la réalisation de cellules solaires multicouches évaporées à base de matériaux organiques : le pentacène et le PTCDI-C5. Nous nous sommes servis de cela pour bâtir des cellules simple jonction bicouches et les caractériser. Ces cellules ont servi de modèle de référence à notre étude et démontrent des capacités en accord avec la littérature. Nous avons ensuite produit et caractérisé des cellules multijonctions en bicouches. Une rapide étude sur le comportement d’une couche d’argent d’épaisseur nanométrique a servi à déposer la couche de recombinaison de ces cellules. Nous nous sommes ensuite attelés à la réalisation de monocouches auto-assemblées sur silicium dans le but de développer des couches actives donneur-accepteur et de pouvoir les empiler par l’approche ascendante. Après avoir étudié les groupements d’accroche silanes et acides phosphoniques, nous avons investigué la réalisation de SAM de (3-Triméthoxysilylpropyl) diéthylènetriamine (DETAS) sur silicium en tant que couche d’accroche pour les molécules actives. Nous avons mis en évidence la présence de liaisons hydrogènes aidant à l’organisation de la SAM grâce à des analyses ATR-FTIR. Nous nous sommes servis de cette SAM comme couche d’accroche pour la greffe d’une molécule photo-active le pérylène tétracarboxylique dianhydride (PTCDA). Les techniques de caractérisation par AFM, ellipsométrie et spectroscopie Raman nous ont servi à caractériser notre surface après la greffe de PTCDA

During this study, in a first top-down approach, we investigated evaporated multilayer organic solar cells built from pentacene and PTCDI-C5. We studied spectral response from these materials as well as their vacuum deposition characteristics. We used that knowledge to build simple junction and bi-layer solar cells. Those cells were the reference that allowed us to build and characterised multijonctions bi-layer solar cells with a nanostructured silver layer as recombination layer. A simple study of that silver layer was also conducted. We then switched to self-assembled monolayers on silicon in order to build donor-acceptor active layers that could be stacked, in a bottom-up approach. First, we compared silane and phosphonic acid grafting groups with an 18 carbon long alkane chain. Then we studied (3- trimethoxysilylpropyl) diethylentrimaine (DETAS) on silicon with extra care on relative humidity as a grafting parameter. We also investigated DETAS SAM to highlight hydrogen bonding within the monolayer using ATR-FTIR. DETAS SAM were then used as an anchor molecule for a photoactive molecule perylene tetracarboxylicdianhydrid (PTCDA). Characterisation technics used were AFM, ellipsometry, and Raman spectroscopy