Academic literature on the topic 'Cellules solaires organiques – Surfaces'

Onze nouvelles molécules organiques de structure donneurs-espaceur-accepteurs (D-π-A) utilisées pour les cellules solaires organiques (OSC) basées sur la thiénopyrazine et le thiophène ont été étudiées par la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) et la théorie de la densité fonctionnelle dépendante de temps DFT (TD-DFT), pour expliquer comment l’ordre de conjugaison influe sur les performances des cellules solaires. Le groupe accepteur d’électrons (ancrage) était composé de 2-cyanoacrylique pour tous les composés, tandis que l’unité donneuse d’électrons était variée et que son influence fut étudiée. Les résultats théoriques ont montré que les calculs TD-DFT, avec une fonction hybride d’échange – corrélation utilisant la méthode d’atténuation de Coulomb (CAM-B3LYP) en conjonction avec un modèle de solvatation à cycle continu polarisable (modèle de continuum polarisable, PCM) combinée avec la base 6-31G(d,p), était raisonnablement capable de prédire les énergies d’excitation, les spectres d’absorption et d’émission des molécules étudiées. Les niveaux d’énergie des orbitales moléculaires frontières (orbitale moléculaire occupée de plus haute énergie (HOMO) et orbitale moléculaire inoccupée de plus basse énergie (LUMO) de ces composés peuvent avoir un effet positif sur le processus d’injection et de régénération d’électrons. La tendance des lacunes calculées HOMO-LUMO se compare bien avec les données spectrales. En outre, les valeurs estimées de photovoltage en circuit ouvert (Voc) pour ces composés ont été présentées. L’étude des propriétés structurelles, électroniques et optiques de ces composés pourrait aider à concevoir des matériaux organiques photovoltaïques fonctionnels plus efficaces.

La recherche sur les cellules solaires organiques présente un engouement important, car elles présentent des propriétés très intéressantes notamment dans leur flexibilité et la possibilité d’être réalisées avec de grandes surfaces. Cependant leur stabilité et leur rendement doivent être considérablement améliorés par rapport à leur état actuel. Un rendement nominal voisin de 10 % sera l’objectif à atteindre pour les années qui viennent. Dans cet article, nous présentons les cellules solaires à base de polymères conjugués et décrivons les possibilités d’amélioration du rendement et de la stabilité des dispositifs avec l’utilisation des poly(3-hexylthiophène) régioréguliers ou RR-P3HT et de l’oxyde d’étain SnO2, puis nous présenterons les limitations et les perspectives.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'entreprise DISASOLAR et l'Université de Limoges pour développer un savoir-faire dans l'impression de cellules photovoltaïques organiques sur substrats plastiques. Les cellules organiques à l'architecture classique présentent certaines limitations en termes de durée de vie. Elles sont liées à la fois à la structure en elle-même et aux matériaux utilisés, en particulier au PEDOT:PSS. Le premier objectif est de remplacer ce polymère d'interface par des oxydes métalliques tels que les oxydes de Tungstène, de Vanadium ou de Molybdène. Ils sont d'abord testés en cellule par évaporation pour être ensuite intégrés via un dépôt par voie liquide (sol-gel ou dispersion de nanoparticules) pour préparer leur impression. Le second objectif est d'adapter chaque étape du procédé d'élaboration des cellules pour les rendre compatibles avec un substrat plastique. Pour améliorer la robustesse du procédé et la stabilité des cellules, nous introduisons la structure inversée. Cependant, les cellules sur plastique conservent des performances plus faibles que leur équivalent sur verre. Pour palier cela, nous portons notre regard vers l'intégration de couches dipolaires dans le but d'améliorer les transferts de charges entre les différents matériaux. En choisissant judicieusement le sens et l'intensité du moment dipolaire d'une molécule greffée, nous améliorons jusqu'à 25 % le rendement de conversion de nos cellules sur plastique
This work is part of a partnership between the company DISASOLAR and the University of Limoges (whose common goal is to develop. . . ) in the development of a know-how in the printing of organic photovoltaic solar cells on plastic substrates. Organic solar cells with a classic structure show certain life-time limitations due to the structure itselfs as well as to the materials used, in particular PEDOT:PSS. Thus, the first goal is to replace this interfacial polymer with metallic oxides like Tungsten, Vanadium or Molybdenum oxides. In order to do so, they are tested in cells by evaporation before being integrated via a liquid coating (sol-gel or nanoparticles dispersion) to prepare for their printing. The second goal is to adapt each step of the production process to make them compatible with a plastic substrate. To improve the reliability of the process and the cell's stability, we introduce the inverted structure. However, the performance of solar cells on plastic subtrates remains weaker than their counterparts on glass substrates. To reduce this difference, we look to the integration of dipolar layer in order to improve the charge transfer between the different materials. By carefully choosing the direction and the intensity of the grafted molecule's dipolar momentum we increase the power conversion efficiency of our solar cells on plastic substrates by up to 25%

Le rendement de conversion photoélectrique des cellules photovoltaïques organiques est encore trop faible pour envisager leur production à l'échelle industrielle. La solution proposée dans le cadre de ce travail est l'amélioration du rendement d'absorption des photons dans les couches photoactives. La première partie de ce travail à concerné le développement d'un logiciel de modélisation et d'optimisation des cellules photovoltaïques organiques. Basé sur le calcul de la répartition du champ électromagnétique dans l'épaisseur de la cellule, cet outil permet d'optimiser l'ensemble des épaisseurs des couches d'une cellule classique (bicouche ou mélange) ou des cellules plus complexes (cellules tandem).
Puis nous avons relié les propriétés optiques des cellules organiques à leurs propriétés électriques en calculant les densités de courant de court circuit. La validation de nos modélisations a ensuite été réalisée par comparaison avec les résultats expérimentaux sur des cellules composées d'hétérojonctions bicouches ou de volume et pour différents couples donneur-accepteur (P3HT:PCBM, CuPc/C60 ou pentacène:pérylène). Dans la dernière partie de ce travail nous avons abordé l'étude de l'exaltation locale du champ électromagnétique via des effets de plasmons de surface. Pour cela, nous avons modélisé, réalisé et caractérisé des empilements de couches organiques, contenant des nanoparticules métalliques (or et argent), dans le but d'exalter localement le champ électromagnétique.

Les cellules solaires émergentes consistent en l’empilement de couches minces de différents matériaux. Le rôle de ces couches est d’extraire et de transporter les charges libres qui sont générées par l’absorption du spectre solaire. L’ingénierie d’empilement de couches consiste à maximiser la séparation des charges et leur extraction vers les électrodes en limitant leur recombinaison. Les états de surface, L’alignement des niveaux d’énergie entre les matériaux et les potentiels aux interfaces dictent le comportement des charges photogénérées dans la cellule et sont responsables des performances des dispositifs. Mon travail de thèse explore les propriétés de différentes surfaces et interfaces présentent au sein des cellules solaires organiques et pérovskites. Dans une première étude, je mets en avant les propriétés d’une couche de transport d’électrons souvent utilisée dans les cellules solaires organiques et pérovskites, le dioxyde de titane, préparée à basse température et à l’interface avec des molécules organiques. Dans une seconde étude, je présente mes résultats concernant l’intégration de nanocristaux de pérovskites (PNC) de FAPbI3 dans les cellules solaires. La caractérisation des propriétés optoélectroniques des PNC et leur évolution aux interfaces avec une couche de transport d’électrons (TiO2) et de trous (MoO3) sont présentées. Des techniques de photoémission sont utilisées pour mettre en évidence les niveaux d’énergies et les propriétés électroniques des systèmes. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre le paysage énergétique et chimique aux interfaces entre ces matériaux et ainsi expliquer le comportement des charges dans ces cellules solaires
Next-generation solar cells consist of thin-films of different materials stacked-up. The purpose of those layers is to extract and transport free charge carriers generated by the absorption of the solar spectrum. Engineering layers in a solar cell consist in maximizing the separation of the charge carriers and their extraction towards electrodes, and limiting their recombination. Surface states, energy level alignement between materials and potential at interfaces dictate the behavior of photogenerated charge carriers in solar cells, which is responsible for the performance of devices. Properties of different surfaces and interfaces in organic and perovskite solar cells are explored in my thesis work. In a first study, I present the properties of an electron transport layer extensively used in organic and perovskite solar cells, titanium dioxyde, prepared at low temperature and at the interface with organic molecules. In a second study, I present my results regarding the integration of FAPbI3 perovskite nanocrystals (PNC) in solar cells. The characterization of optoelectronic properties of PNC and their evolution at the interfaces with an electron transport layer (TiO2) and hole transport layer (MoO3) are presented. Photoemission spectroscopy techniques are used to reveal the energy levels and electronic properties of the different systems. The different results obtained in this work allow for a better understanding of the energetic and chemical landscape at the interfaces between the mentionned materials, and thus explains the behavior of charge carriers in the associated cells

Ces travaux de thèse concernent la mise en place de nouvelles méthodologies de synthèse de porphyrines meso-substituées. Certaines porphyrines ont été synthétisées dans l’optique de réaliser des études d’assemblage sur surface, après post-fonctionnalisation ou non, dans le cadre de plusieurs collaborations internationales. D’autres porphyrines, en revanche, ont servi de modèles pour évaluer le potentiel d’application des nouvelles méthodologies proposées. Enfin, durant ces travaux, nous avons pu aussi mettre en œuvre une nouvelle méthodologie de synthèse permettant l’accès à des hexaphyrines meso substituées, avec des degrés de symétrie alors jamais décrits pour de tels composés. Le premier chapitre de ce manuscrit fait le point sur les caractéristiques, la caractérisation et la réactivité des porphyrines et des hexaphyrines. Le second chapitre propose quant à lui, après un état de l’art sur les méthodes de synthèse des macrocycles concernés, d’exposer les méthodologies de synthèse développées au cours de ces travaux pour les alkyle-porphyrines A4, puis une méthode non-scrambling appliquée à la synthèse de porphyrines de plus bas degré de symétrie, et enfin d’hexaphyrines. Le dernier chapitre fait état de l’utilisation de ces chromophores dans des procédés d’assemblage ainsi que leurs fonctionnalisations éventuelles pour l’intégration à ces procédés
This thesis focuses on the development of new meso-substituted porphyrin synthetic methodologies. Some porphyrins were synthesized from the perspective of assembly studies on surfaces after postfunctionalization or not, in the context of several international collaborations. Other porphyrins however served as a model to evaluate the application potential of the proposed new methodologies. Finally, during this work we could also implement a new synthetic methodology allowing access to hexaphyrines meso substituted with degrees of symmetry never described for such compounds.The first chapter of this manuscript reports on the properties, characterization and reactivity of porphyrins and hexaphyrines. The second chapter provides, after a state of the art description on methods of synthesis of macrocycles concerned, exposing synthetic methodologies developed in the heart of this work for alkyl porphyrins A4 then a non-scrambling method applied to porphyrins with lower symmetry degree and finally hexaphyrines. The last chapter refers to the use of these chromophores in assembly processes and their possible functionalization for integrating these processes

Ces travaux de thèse concernent la mise en place de nouvelles méthodologies de synthèse de porphyrines meso-substituées. Certaines porphyrines ont été synthétisées dans l’optique de réaliser des études d’assemblage sur surface, après post-fonctionnalisation ou non, dans le cadre de plusieurs collaborations internationales. D’autres porphyrines, en revanche, ont servi de modèles pour évaluer le potentiel d’application des nouvelles méthodologies proposées. Enfin, durant ces travaux, nous avons pu aussi mettre en œuvre une nouvelle méthodologie de synthèse permettant l’accès à des hexaphyrines meso substituées, avec des degrés de symétrie alors jamais décrits pour de tels composés. Le premier chapitre de ce manuscrit fait le point sur les caractéristiques, la caractérisation et la réactivité des porphyrines et des hexaphyrines. Le second chapitre propose quant à lui, après un état de l’art sur les méthodes de synthèse des macrocycles concernés, d’exposer les méthodologies de synthèse développées au cours de ces travaux pour les alkyle-porphyrines A4, puis une méthode non-scrambling appliquée à la synthèse de porphyrines de plus bas degré de symétrie, et enfin d’hexaphyrines. Le dernier chapitre fait état de l’utilisation de ces chromophores dans des procédés d’assemblage ainsi que leurs fonctionnalisations éventuelles pour l’intégration à ces procédés
This thesis focuses on the development of new meso-substituted porphyrin synthetic methodologies. Some porphyrins were synthesized from the perspective of assembly studies on surfaces after postfunctionalization or not, in the context of several international collaborations. Other porphyrins however served as a model to evaluate the application potential of the proposed new methodologies. Finally, during this work we could also implement a new synthetic methodology allowing access to hexaphyrines meso substituted with degrees of symmetry never described for such compounds.The first chapter of this manuscript reports on the properties, characterization and reactivity of porphyrins and hexaphyrines. The second chapter provides, after a state of the art description on methods of synthesis of macrocycles concerned, exposing synthetic methodologies developed in the heart of this work for alkyl porphyrins A4 then a non-scrambling method applied to porphyrins with lower symmetry degree and finally hexaphyrines. The last chapter refers to the use of these chromophores in assembly processes and their possible functionalization for integrating these processes

L’énergie solaire photovoltaïque organique (OPV) est une technologie émergente exempte de matériaux rares et à faibles coûts énergétiques de production. Ces modules, composés de plusieurs couches minces empilées, peuvent être souples, semi-transparents et de différentes formes et couleurs, permettant de les intégrer dans le paysage urbain ou aux objets du quotidien. A l’échelle laboratoire, les rendements de conversion énergétique reportés en OPV n’ont cessé de croitre d’année en année, grâce en particulier à l’émergence de nouvelles couches actives, classiquement composées de deux semi-conducteurs organiques, l’un donneur d’électrons, l’autre accepteur d’électrons (système binaire). Il a été montré qu’il est possible d’en ajouter un troisième pour former un mélange ternaire afin d’améliorer les performances tout en gardant les mêmes coûts de production. Le but de cette thèse est donc de comprendre l’impact du troisième composé et de développer des solutions innovantes tout en intégrant les contraintes liées à leur industrialisation. Dans un premier temps, des couches binaires à base des polymères DT-PDPP2T-TT et PTQ10 ont été mises au point en respectant ces contraintes. Leurs performances prometteuses ont servi de socle à l’étude des mélanges ternaires. Le premier raisonnement s’est basé sur l’augmentation de la densité de courant de court-circuit en ajoutant un composé présentant un spectre d’absorption solaire complémentaire. Cette démarche n’a pas été concluante car le facteur de forme diminuait fortement. Il a alors été décidé de se concentrer sur ce paramètre en ajoutant du PC61BM, accepteur à forte mobilité d’électrons. Cette stratégie a permis de porter les rendements de conversion jusqu’à 10.3% en conditions semi-industrielles avec un solvant non toxique et jusqu’à 14.7% avec un solvant halogéné. Cette amélioration a été attribuée à des changements morphologiques impactant le transport de charge. De plus, lorsque les accepteurs sont miscibles, la tension en circuit ouvert est proportionnelle au ratio entre les deux accepteurs. Une approche prédictive basée sur les énergies de surface a ensuite été menée pour mesurer la compatibilité des matériaux entre eux. Les dispositifs ternaires à base de PTQ10 : 4TIC-4F : PC61BM ont montré une meilleure photostabilité. Pour finir, une étude de pré-industrialisation s’est avérée concluante en vue d’essais à plus grande échelle
Organic photovoltaics (OPV) is a promising solar energy technology excluding the usage of rare elements and with low production costs. These multilayer OPV modules can be flexible, semi-transparent and with various colors enabling innovative usage in the urban landscape and on our everyday technological items. At lab scale, over the years, the power conversion efficiency of OPV cells grew up dramatically, especially thanks to the development of novel active layers, blends of two organic semiconductors, one electron donor and one electron acceptor (binary system). Recently, it has been shown that adding a third material in the active layer, forming a ternary blend, increases the performances. This strategy is of interest for the OPV industry by maintaining the low production costs of the modules. Therefore, this work aims to understand the role of this third component and to develop innovative active layers while respecting the industrial requirements for large-scale production. First, we focused on binary blends with PTQ10 and DT-PPDT2T-TT as polymeric donors. Promising efficiencies were achieved on these binary systems as a base for our ternary studies. We tried to increase the short circuit current by adding a third organic semiconductor with complementary light absorption. This approach was not successful because the fill factor dropped drastically. Thus, we focused on improving this parameter by adding the well-known fullerene acceptor PC61BM. This strategy enabled to increase the efficiency up to 10.3% in semi-industrial conditions with a non-toxic solvent and up to 14.7% in halogenated solvent. Morphological changes were responsible of charge transport improvement, which has proven to be one of the key factor in ternary blends. In addition, the open circuit voltage has been shown proportional to the weight ratio between both acceptors when they form an alloy. Based on these studies, we developed a predictive approach to assess the compatibility between the materials. Finally, ternary PTQ10:4TIC-4F:PC61BM devices turned out to be the most promising in terms of pre-industrialization and photostability

Au cours des dernières années, le développement des cellules organiques à réseaux interpénétrés a permis d’améliorer les rendements de conversion photovoltaïque (PV). Ces dispositifs incorporent une couche active constituée d’un mélange d’un matériau donneur d’électron (D) et d’un matériau accepteur d’électron (A). La réalisation de ces cellules requiert une optimisation minutieuse de ce mélange et de la morphologie de cette couche photo-active qui en résulte. Cette dernière peut cependant évoluer spontanément vers une ségrégation de phase, généralement délétère pour les performances PV. Une solution possible, et relativement peu étudiée, consiste à lier chimiquement le donneur D et l’accepteur A par un espaceur non-conjugué. Les travaux décrits dans ce manuscrit portent sur la synthèse et la caractérisation d’assemblages moléculaires de type D-σ-A ainsi que leur utilisation comme matériau dit « unique » pour la fabrication de cellules solaires organiques mono composant. Une première famille de dyades et triades à base d’un bloc donneur de type quaterthiophène a été étudiée. Cette partie décrit la méthodologie générale d’assemblage des blocs D et A via une réaction de cycloaddition de type Huisgen. Au cours des chapitres suivant, plusieurs dyades basées sur un bloc donneur « push-pull » ont été synthétisées puis caractérisées. Les performances PV de ces composés ont été évaluées au sein de cellules solaires mono-composant et les meilleurs rendements de conversion, atteignant 1.4 %, rivalisent avec l’état de l’art
Over the last few years, the development of bulk heterojunction organic solar cells (BHJ OSCs) led to significant increase in photovoltaic (PV) efficiency. Such devices are based on interpenetrated networks of an electron-donor material (D) and an electron-acceptor material (A) constituting the active layer. Nevertheless a careful optimization of the morphology is required to reach high power conversion efficiency. Furthermore, this optimized morphology can evolve towards spontaneous phase segregation which can be detrimental for the PV performances. To circumvent these limitations, a relatively unexplored approach relies on the use of a material where the donor and the acceptor moieties are covalently linked to each other through a nonconjugated π-connector. In this context, the work reported herein describes the synthesis and characterization of various molecular D-σ-A assemblies, as well as their preliminary evaluation as “unique” material for the realisation of single component organic solar cells (SC-OSCs). A first family of dyads and triads, based on quaterthiophene moieties as donor block, was studied. A general methodology to assemble the two D and A blocks via a Huisgen-type click-chemistry is described. Then, in the next chapters, several dyads based on a “push-pull” donor block have been synthesized and characterized. The PV performances of these compounds have been evaluated in SC-OSCs leading to power conversion efficiency up to 1.4 %, a value close to the state of the art

Le but de ce travail a été de développer des cellules à base d’oxyde nanoporeux photosensibilisé sur support plastique. Dans ce contexte, une nouvelle voie d’élaboration de couches de nanoparticules d’oxyde à basse température a été développée par irradiation ultraviolet sous air. Tout d’abord, des couches de dioxyde de titane ont été préparées par cette méthode, les films obtenus étant constitués d’un réseau mésoporeux de nanoparticules interconnectées de dioxyde de titane de structure anatase d’après les caractérisations effectuées par microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X, porosimétrie d’adsorption d’azote et d’intrusion de mercure et analyse thermogravimétrique. Après sensibilisation des couches par un complexe polypyridyle de ruthénium, les cellules photovoltaïques élaborées avec des films en contact avec un électrolyte liquide présentent des rendements de conversion énergétique compris entre 1,6 et 2,5 % suivant la nature des particules utilisées. Cette voie a ensuite été élargie à d’autres oxydes tels que l’oxyde de zinc et le dioxyde d’étain ainsi qu’à des oxydes en configuration « cœur-écorce ». Les rendements obtenus avec le dioxyde d’étain, 1,5 à 1,8%, sont tout à fait remarquables par rapport à ceux décrits dans la bibliographie pour des couches traitées à haute température. Les rendements plus élevés avec les couches traitées aux UV étant liés à une amélioration des tensions de circuit ouvert et des facteurs de forme, les phénomènes physiques régissant les performances de ces dispositifs ont été étudiés par différentes techniques, notamment la spectroscopie d’impédance électrochimique et le déclin de tension de circuit ouvert. Enfin, les performances électrochromes des films de dioxyde de titane traités aux UV ont été caractérisées sur support verre et plastique en présence d’un électrolyte liquide ionique, les efficacités de coloration étant comparables aux systèmes élaborés à haute température
This work aimed to develop dye-sensitized solar cells on plastic substrates. In this context, a new low-temperature method to make nanoporous oxide layers based on ultraviolet irradiation under air was studied. First of all, titanium dioxide layers were prepared with this method; the films obtained were composed of a mesoporous network of interconnected anatase titanium dioxide nanoparticles as evidenced by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, nitrogen sorption and mercury porosimetries, and thermogravimetric analysis. After sensitizing the films with a ruthenium polypyridyl complex, the photovoltaic cells based on the films in contact with a liquid electrolyte gave conversion efficiencies between 1.6 and 2.5% depending on the nature of the particles used. This low-temperature method based on ultraviolet irradiation was then expanded to other oxides, such as zinc oxide and tin dioxide, as well as to core-shell structures. The conversion efficiencies obtained with tin dioxide were very high, i.e. 1.5 to 1.8%, compared to those usually reported in the literature for films sintered at high temperatures. The higher efficiencies obtained for the UV-treated films were related to higher open circuit potentials and higher fill factors. Therefore, the physical phenomena involved were investigated with various techniques; in particular, electrochemical impedance spectroscopy and open circuit voltage decay. Finally, the electrochromic performances of the low-temperature UV-processed nanoparticulate titanium dioxide films were studied on glass and plastic substrates with an ionic liquid. The coloration efficiencies were found to be comparable to those of high-temperature processed layers