Academic literature on the topic 'Cellule solaire organique'

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.

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.

L’utilisation des énergies renouvelables, qui sont intermittentes, à l’égal des énergies fossiles (échelle du TW) doit passer par leur conversion et stockage en un vecteur transportable. L’hydrogène semble le vecteur énergétique idéal qui peut être produit à partir de l’eau et de l’énergie solaire. Ce carburant peut ainsi être stocké, transporté puis utilisé à la demande en le combinant avec l’oxygène dans une pile à combustible. Les cellules photo-électrochimiques (PEC) utilisées pour la conversion ne sont actuellement pas rentables car les matériaux majoritairement utilisés pour leur fabrication, tels que le platine et les semiconducteurs cristallins, sont rares ou chers. Le point clé est de trouver des matériaux qui soient disponibles en grande quantité et facilement mis en forme. Ce travail de thèse concerne le développement d’une photocathode sans matériau rare pour la photoproduction de H2 via la réduction des protons à partir de l’énergie solaire et de l’eau. Pour cela, une cellule solaire à hétérojonction polymère-fullerène (P3HT:PCBM) a été couplée directement à un catalyseur sans métal précieux, MoS3. La cellule solaire absorbe les photons, et les électrons photogénérés sont ensuite acheminés jusqu’au catalyseur qui les utilise pour produire l’hydrogène. Après avoir étudié chacun des matériaux (cellule solaire et catalyseur) séparément et vérifié le bon alignement des niveaux énergétiques, les premiers assemblages ont été faits par des procédés en solution. Les méthodes de dépôt ont dû être adaptées en fonction de la nature des matériaux. Ainsi, le spin-coating et le spray ont été utilisés respectivement pour déposer la partie photovoltaïque et le catalyseur. Les caractérisations photo-électrochimiques mises en place ont permis de mettre en évidence la présence d’un photo-courant (100 µA cm–2) correspondant à la production d’hydrogène, qui a été analysé par chromatographie en phase gazeuse. Ces résultats ont permis de montrer la viabilité des photocathodes hybrides sans matériau noble. Afin d’augmenter les performances des photocathodes, de nouvelles configurations ont été conçues. Dans un premier temps des matériaux d’interface entre la couche mince photovoltaïque et le catalyseur ont été étudié (couche extractrice d’électrons, CEE) pour améliorer la collection des électrons photogénérés par le catalyseur. Parmi les métaux étudiés, l’aluminium protégé par le titane a permis d’atteindre des photocourants de 10 mA cm–2. Cependant la présence de l’aluminium induisait une instabilité en milieu aqueux, aussi des oxydes (TiOx) et des matériaux organiques (fullerène C60 et graphène) ont été envisagés. Le TiOx n’a permis qu’une légère amélioration par rapport aux photocathodes sans CEE, tandis que le C60 a permis d’atteindre 5 mA cm–2 mais avec une stabilité moindre par rapport aux CEE métalliques. L’origine de l’amélioration des performances a été attribuée à l’isolement de la jonction photovoltaïque par rapport à l’électrolyte. Dans une deuxième approche, la couche extractrice de trous (CET) située entre l’électrode transparente et le P3HT:PCBM a été remplacée par des oxydes amorphes (oxyde de graphène (GO), MoOx, NiOx). Ce changement a permis la réalisation de photocathodes performantes et stables pendant plusieurs heures, avec des températures de dépôt ne dépassant pas 150 °C dans le cas du MoOx et du GO. L’augmentation des performances semblant aller de pair avec l’augmentation du travail de sortie de la CET, il a été suggéré que la différence des niveaux de Fermi de la CET et de l’électrolyte avait un impact sur la capacité de la photocathode à séparer les charges et les utiliser pour la photocatalyse. Les photocathodes avec MoOx (matériau testé avec le plus grand travail de sortie) ont les meilleurs rendements (plusieurs mA cm–2 et un photovoltage de 0. 6 V), et présentent une plus grande stabilité par rapport aux photocathodes ayant une CTE métallique
One of the challenges of the 21st century is to produce clean and inexpensive energy at the TW scale to face the increasing energy demand and the global climate change. Because renewable energies are intermittent, they must be converted and stored in order to use them at the same scale of fossil energies. Hydrogen appears to be an ideal energy carrier when it is produced from water and sunlight. This fuel can be stored, transported and use on-demand by its combination with oxygen, for example in a fuel cell. Photo-electrochemical (PEC) cells able to carry out the photo-electrolysis of water are not yet cost-effective, because most of the materials used for their fabrication are rare or expensive (platinum, crystalline semiconductors). Producing hydrogen in a PEC cell at industrial scale depends on the finding of readily-available and easily-processed materials. In this thesis, the development of a noble-metal free hydrogen-evolving photocathode was undertaken, to reduce protons from light and acidic water. The photo-converting unit was based organic semiconductors organized in a polymer-fullerene bulk-heterojunction layer (P3HT:PCBM) coupled to amorphous molybdenum sulfide (MoS3) as a catalyst. In the device, the P3HT:PCBM layer absorbs the photons and the photogenerated electrons are then transported to the interface with the catalyst, which uses the electrons to produce hydrogen. After studying each material (catalyst and solar cell) separately and checking the alignment of their energy levels, the first assemblies were made by solution processes. The deposition methods were adapted depending on the nature of the materials. Spin-coating and spray were used for the deposition of the light-harvesting unit and the catalyst, respectively. With the photo-electrochemical characterization setup, a photocurrent of up to 100 µA cm–2 was obtained, corresponding to production of hydrogen, as analyzed by gas chromatography. These first results proved the viability of the concept of this hybrid noble-metal free photocathode. In order to improve the photocathode performance, new configurations were designed. Firstly, interfacial materials placed between P3HT:PCBM and MoS3 (electron-extracting layer, EEL) were studied to improve charge collection by the catalyst. Among studied materials, photocathodes with titanium-protected aluminum reached up to 10 mA cm–2 of photocurrent. The presence of aluminum induced instability in aqueous media, so that oxides (TiOx) and organic materials (C60 fullerene and graphene) were considered. TiOx brought only a slight improvement compared to photocathodes without EELs, while C60 allowed to reach 5 mA cm–2 but with a lower stability compared to metallic EELs. The origin of the increased performances with EELs was attributed to the burying of the photovoltaic junction, removing the influence of the electrolyte. Secondly, the material between the transparent electrode and the photovoltaic part, i. E. The hole-extracting layer (HEL), was replaced by amorphous oxides (graphene oxide (GO), MoOx, NiOx). It led to the fabrication of performant photocathodes, stables for several hours, by process temperatures below 150 °C in the case of MoOx and GO. The increase of the performance seemed to be related to the increase of the HEL work function, leading to the suggestion that the Fermi level difference between the HEL and the electrolyte has an impact on the capacity of the photocathode to separate the charges and use them for photocatalysis. The most performant photocathodes (several mA cm–2 and 0. 6 V of photovoltage) were the one with MoOx, i. E. The material with the largest work function, and had a much better stability than the photocathodes with metallic EELs

Dans une configuration optimale, la couche photo-active d'une cellule solaire organique forme une hétérojonction volumique entre un matériau donneur et un matériau accepteur d'électrons. Cette morphologie optimale se trouve dans un état thermodynamique métastable. En cours de fonctionnement, l'absorption incidente provoque une élévation de la tempéra- ture des dispositifs. L'apport d'énergie thermique au système le fait évoluer vers un état thermodynamique stable correspondant à une micro-séparation de phase entre les deux matériaux nuisible aux performances photovoltaïques du dispositif. La solution à cette problématique envisagée dans cette thèse est de figer la morphologie optimale de la couche photo-active par réticulation chimique. Dans le but de prévenir la diffusion et la cristallisation des dérivés du fullerène, plusieurs approches ont été étudiées : la formation d'une maille de polymères réticulés, l'accroche des dérivés du fullerène aux chaînes du polymères ou la liaison entre plusieurs dérivés du fullerène. Les différentes fonctions réticulantes utilisées dans ces approches sont l'allyle, le cinnamate, l'anthracène et l'azoture. Au cours de ces travaux, des résultats satisfaisants ont été obtenus avec la fonction azoture. Basé sur cette fonction, nous avons développé un additif qui permet d'augmenter notablement la stabilité thermique des cellules solaires réticulées. Cette approche a été validée sur plusieurs couples de matériaux polymères/dérivés du fullerène à l'état de l'art.

Les nouvelles technologies nécessiteront de plus en plus de matériaux conformes capables de s'adapter à des surfaces incurvées, de s'étirer et de résister mécaniquement aux mouvements de notre corps pour des applications portatives et de peaux artificielles. À cet égard, ce travail discute des stratégies pour induire l'extensibilité dans les matériaux. Nous avons concentré notre attention sur l'amélioration de l'élasticité des électrodes conductrices transparentes (ETC) à base de PEDOT: PSS et des semi-conducteurs (couche active) pour les cellules solaires organiques.Premièrement, il a été démontré que l'introduction du DMSO et du Zonyl en tant qu'additifs dans PEDOT: PSS produisait des électrodes conductrices hautement transparentes (FoM> 35) avec un module d'Young faible et une densité de charges élevée. Nous avons étudié la relation entre les propriétés de transport du PEDOT: PSS et la morphologie et la microstructure de ses films. La combinaison des deux additifs améliore la nature fibrillaire et les agrégations de PEDOT et PSS.Deuxièmement, les ETC à base de PEDOT: PSS ont été fabriquées en utilisant une approche innovante qui combine un réseau polymère interpénétré d'oxyde de polyéthylène et du Zonyl. La présence d'une matrice tridimensionnelle a fourni une conductivité électrique, une élasticité et une durabilité mécanique élevées. Le potentiel de cette électrode a été démontré avec des cellules solaires sans oxyde d'indium-étain (ITO) avec une efficacité de conversion similaire à celle de l'ITO.Enfin, la recherche a été complétée par l'intégration d'un réticulant ou d'un élastomère dans la couche active pour améliorer son extensibilité tout en conservant d'excellentes performances photovoltaïques. En particulier, l'élastomère SEBS présentait une élasticité adaptée avec divers accepteurs et donneurs composé de fullerène et de non fullerène: P3HT: PC61BM, PCE10: PC71BM et PCE13: IT-4F. Cette approche polyvalente met en évidence la facilité de fabrication et d’évolutivité obtenues par des processus en solution ainsi qu'une compatibilité élevée avec différents mélanges d’accepteurs et donneurs
New technologies will require more and more compliant materials capable of conforming to curved surfaces, i.e., able to stretch and mechanically resist body motions for wearable and on-skin applications. In this regard, this work discusses strategies to induce stretchability in materials. We focused our attention on improving the elasticity of transparent conducting electrodes (TCE) based on PEDOT:PSS and semiconductors (active layer) for organic solar cells.Firstly, the introduction of DMSO and Zonyl as additives into PEDOT:PSS was shown to produce highly transparent conducting electrodes (FoM > 35) with low Young’s modulus and high carrier density. We investigated the relationship between the transport properties of PEDOT:PSS and the morphology and microstructure of its films. The combination of the two additives enhances the fibrillary nature and the aggregations of both PEDOT and PSS components of the films.Secondly, stretchable TCEs based on PEDOT:PSS were fabricated using an innovative approach that combines an interpenetrated polymer network-based on polyethylene oxide and Zonyl. The presence of three-dimensional matrix provided high electrical conductivity, elasticity, and mechanical recoverability. The potential of this electrode was demonstrated with indium-tin-oxide (ITO)-free solar cells with a power conversion efficiency similar to ITO.Finally, the research was completed by integrating a cross-linker or an elastomer into the active layer to enhance its stretchability while maintaining excellent photovoltaic performance. In particular, SEBS elastomer exhibited a tailored elasticity with various fullerene and non-fullerene blends: P3HT:PC61BM, PCE10:PC71BM and PCE13:IT-4F. This versatile approach highlights the ease of manufacturing and scalability achieved by the solution casting processes along with a high compatibility of acceptor and donor blends

L’objectif de la thèse consiste à développer une série des molécules d’architecture en haltère à base de phtalocyanine et à caractère donneur, pour l’élaboration de cellules solaires organiques. Plus particulièrement, les molécules sont des triades entièrement conjuguées, constituées de deux phtalocyanines de zinc séparés par un chromophore rigide de nature variable (un dérivé de benzothiadiazole, d’isoindigo ou de dikétopyrrolopyrrole). Dans ce travail, nous avons cherché à optimiser les modes de synthèse en utilisant différentes réactions de couplages catalysées. Nous avons également cherché à faire varier la nature du cœur et le nombre de chaînes ramifiées périphériques, afin d’étudier leur impact sur les niveaux d’énergie et les propriétés optiques, structurales, de transport de charge et enfin photovoltaïques
This work reports a series of dumbbell-shaped molecules based on phthalocyanine with an electro-donating character, to be used in organic solar cells. More particularly, the molecules are fully-conjugated triads, made of two zinc phthalocyanine fragments separated by a rigid central dye of different nature (derivative of benzothiadiazole, isoindigo or diketopyrrolopyrrole). The synthesis of the materials was optimized by varying the type of the cross-coupling reactions. The properties of the molecules (absorption, energy levels, structure, charge transport and photovoltaic) were investigated as function of the nature of the central dye and the peripheral ramified chains on the phthalocyanine fragments

Au cours de ces travaux de thèse, deux axes d’études ont été développés. Ils consistent d’une part à la synthèse et la caractérisation de nouveaux complexes de bore, visant à être utilisés dans des cellules solaires organiques, ainsi qu’au développement de plateformes d’empilement π, permettant la modulation des propriétés structurales de semi-conducteurs organiques. Ainsi, le rendement de conversion énergétique de cellules solaires utilisant un BODIPY a été amélioré par l’addition de triazatruxènes sur ses positions β-pyrroliques. Le motif BOPHY, complexe di-nucléaire de bore, a été fonctionnalisé puis étudié optoélectroniquement. Le premier exemple d’utilisation d’un BOPHY dans une cellule solaire organique a également été effectué. Deux familles de BODIPYs ont été préparées en vue d’une utilisation dans des cellules solaires à colorant. Leur utilisation au sein d’une même structure a permis d’établir un nouveau record de conversion pour une telle utilisation d’un BODIPY
During this thesis, boron complexes and π-stacking mediator planar moieties have been synthetized for photovoltaic applications. Thanks to the use of triazatruxene units on β-pyrrolic positions of a BODIPY core, the solar cells photoconversion efficiency has been increased. The BOPHY moiety, a di-nuclear boron complex, has been functionalized and optoelectronically studied. The first example of the use of BOPHY in organic solar cells has been performed. Two families of BODIPYs have also been prepared to be used in dye-sensitized solar cells. A new record of photoconversion efficiency for BODIPY based solar cells has been reached using a co-adsorption of two dyes having complementary absorptions within a unique solar cell

Les cellules solaires organiques sont une technologie très prometteuse grâce à leur faible-coût de fabrication, leur flexibilité et leur légèreté. Actuellement, elles ne sont qu’au stade du prototype à cause de leurs faibles rendements et leur courte durée de vie. L’une des voies les plus étudiées pour améliorer le rendement est la conception de nouveaux matériaux photo-actifs. Lors de cette thèse, deux séries de semi-conducteurs donneurs d’électrons. La première série comprend trois oligomères, chacun composé de trois unités de diketopyrrolopyrrole (DPP) qui est un chromophore très étudié dans la littérature. Ces oligomères ont la particularité d’absorber dans le proche infra-rouge. En intercalant différents groupements donneurs d’électrons entre les DPPs, différentes torsions sont obtenues le long de leur squelette. Ceci a permis d’établir qu’un oligomère plan a une plus grande cristallinité et par conséquent transporte mieux les charges, atteignant une mobilité de trou de 10-3 cm². V-1.s-1. Cependant, cette forte cristallinité entraîne une hétérojonction volumique défavorable et un faible rendement photovoltaïque (<1%). La deuxième série est composée de quatre petites molécules combinant une unité 3,3’-(ethane-1,2-diylidene)bis(indolin-2-one) (EBI) avec différents groupements donneurs d’électrons: thiophène (EBI-T), benzofurane (EBI-BF) and bithiophène (EBI-2T)). Les dérivés EBI ont été testés dans les transistors à effet de champ et dans les cellules solaires en tant que semi-conducteurs donneurs. La meilleure mobilité de trou de 0,021 cm².V-1.s-1 a été mesurée avec EBI-BF grâce à sa conformation plane alors que le PCE maximal de 1.92% est obtenu avec EBI-2T grâce à son large spectre d’absorption et une morphologie adéquate
Organic solar cells appear as a promising technology within photovoltaic field owing to their low-cost fabrication and their great flexibility enabling a widespread distribution. For now, they are still at the prototype stage due to their limited efficiency and lifetimes. Many efforts were realized in designing new materials as they are involved in every steps of the photovoltaic process and thus they dictate the cell efficiency. Along this thesis, two series of electron-donating semi-conductors were designed and synthesized. The first series consist in three oligomers containing three diketopyrrolopyrrole units, a well-studied chromophore. Those oligomers absorb up to the near infra-red region, a very interesting feature for light harvesting. Through the engineering of electron-rich spacers, various twists were generated in the oligomers backbone. The oligomer showing a coplanar conformation appears to be the most crystalline and thus exhibits the best charge transport properties with a hole mobility of 10-3 cm².V-1.s-1.iiiHowever, bulk heterojunction organic solar cells, this high crystallinity results in an unfavorable morphology and a PCE inferior to 1%. As for the second series, the four small molecules combined 3,3’-(ethane-1,2-diylidene)bis(indolin-2-one) (EBI), an electron deficient unit, and various electron-rich units such as thiophene (EBI-T), benzofuran (EBI-BF) and bithiophene (EBI-2T). Among EBI derivatives, EBI-BF demonstrated the highest hole mobility of 0.021 cm².V-1.s-1 in field effect transistors due to its coplanar conformation. Meanwhile, in bulk heterojunction solar cells, the highest PCE of 1.92% was obtained with EBI-2T:PC61BM blend owing to a more appropriate morphology and the broadest absorption spectrum of EBI-2T

L'incertitude entourant la production du pétrole et la pollution associée aux fossiles combustibles ainsi que la série d'accidents bien connus de Three Mile Island, Tchernobyl et Fukushima, en plus que le désir de diversifier les sources d'énergie sont des facteurs importants qui favorisent le développement de la technologie des cellules photovoltaïques. Certaines applications de photovoltaïques organiques sont particulièrement intéressantes à cause de la possibilité d'impréssion des circuits et la création de cellules photovoltaïques flexibles sous la forme d'un ruban adhésif. À la suite des études fondamentales de Tang, que l'on appelle hétérojonction en volume (BHJ), des cellules photovoltaïques ont été créées par une séparation de phase du polymère. Certains appareils BHJ sont déjà disponibles dans le commerce, mais leur efficacité photovoltaïque est encore faible. Afin d'améliorer cette efficacité, nous proposons de modéliser le processus critique par lequel une excitation locale ( « un exciton ») se dissocie pour former une paire électron / trou conducteur. Contrairement à la majorité des physiciens specialiste dans l'état solide impliqués dans l'étude de ce problème qui semble ignorer le caractère non-Born-Oppenheimer typique de cet événement, nous prévoyons de traiter cet événement directement par la modélisation photochimique utilisant la dynamique semiclassique (saut de suface de Tully) avec laquelle nous avons déjà une certaine expérience. Comme l'objectif est la compréhension des systèmes très complexes, nous proposons des calculs exploratoires basées sur la méthode TD-DFTB, une version semiempirique de la théorie de la fonctionnelle de densité en fonction du temps (TD-DFT) pour lequel un de nous est bien connu pour son travail pionnier. L'étude sera menée en collaboration avec le groupe ORGAVOLT des développeurs de méthodes ab initio pour la modélisation des BHJs, et avec des groupes à Singapour intéressés par les BHJs, ainsi qu'avec des groupes en Allemagne spécialisés dans la DFTB
The uncertainty surrounding petroleum production and the pollution associated with fossil fuels plus the series of well-known accidents of Three Mile Island, Chernobyl and Fukushima plus the desire to diversify energy sources are important factors favoring the development of solar cell technology. For certain applications organic photovoltaics are particularly interesting because (for example) of the possibility of printing these circuits and the creation of flexible solar cells in the form of adhesive tape. Following the seminal studies of Tang, so-called bulk heterojunction (BHJ) solarcells have been created by polymer phase separation. Some BHJ divices are already available commercially but their photovoltaic efficiency is still low. In order to aid in the improving this efficiency, we propose to model the critical process by which a local excitation (an "exciton") dissociates to form a conducting electron/hole pair. In contrast with the majority of solid-state physicists involved in studying this problem who seem to ignore the typically non-Born-Oppenheimer character of this event, we planto treat this event directly by photochemical modeling using semiclassical (Tully-type) surface-hopping dynamics with which we already have some experience. As the objective is the comprehension of highly complex systems, we propose exploratory calculations based on the TD-DFTB method, a semiemprical version of the time-dependent density-functional theory (TD-DFT) for which one of us is well-known for his pioneering work. The study will be carried out in collaboration with the ORGAVOLT group of developers of ab initio methods for modeling BHJs, and with groups in Singapore interested by BHJs, as well as with groups in Germany specializing in DFTB

Les performances des cellules solaires photovoltaïques organiques dépendent de la morphologie de la couche active et de l’organisation des deux matériaux donneur et accepteur utilisés. L’optimisation de celles-ci implique un accroissement de la surface de l’interface donneur/accepteur et la maîtrise de la taille des domaines. Une nouvelle approche pourrait consister à réaliser une organisation forcée sous forme de nano-multicouches de deux polymères donneur et accepteur. Le travail présenté dans cette thèse s’intègre dans un projet à plus long terme qui est la mise au point d’un nouveau procédé sans solvant pour l’élaboration de cellules solaires photovoltaïques organiques nano-multicouches de type polymère donneur/polymère accepteur : l’extrusion. L’objet de cette thèse a consisté à choisir, synthétiser et étudier deux polymères photo-actifs donneur et accepteur « extrudables » et utilisables en cellules solaires : le poly(3-octylthiophène) comme polymère donneur et le polystyrène greffé par un taux optimisé en fullerène C60 comme polymère accepteur. Les travaux ont été réalisés au sein de l’Institut National de l’Energie Solaire (INES), et se sont déroulés en trois phases. La première partie du travail a consisté à synthétiser et caractériser une série de polymères accepteurs avec différents taux de C60. Puis, outre l’étude des propriétés physicochimiques, nous nous sommes intéressés à leurs propriétés photovoltaïques (mesures de mobilité, tests en cellules solaires). Enfin, leurs comportements rhéologiques ainsi que leurs températures caractéristiques ont été étudiés afin de vérifier leur capacité de mise en œuvre et d’assemblage par extrusion
The performance of organic photovoltaic solar cells depends on the active layer morphology and the arrangement of the donor and acceptor. Increasing the amount of donor/acceptor interface and reducing the size of the domains optimize the photovoltaic efficiencies. A new approach could consist in using nano-multilayers of donor and acc¬¬¬eptor polymers by forced assembly. The work presented in this thesis is part of a broader project, which consists in developing a new solvent-free process for production of nano-multilayers organic solar cells alternating donor and acceptor layers. More specifically, the aim of this thesis was to select, synthesize and study photoactive and extrudable donor and acceptor polymers. Poly(3-octylthiophene) was chosen as the donor polymer and polystyrene grafted by an various percentage of fullerene C60 as the acceptor polymer. This work was realised at the National Institute of Solar Energy (INES), and was organized in three steps. The first part focused on synthesis and characterization of various acceptor polymers with different percentages of C60. Both physicochemical and photovoltaic properties (electron mobility, tests in solar cells) were characterized. Finally, the rheological behaviour and characteristic temperatures were studied to confirm their plausible processability by extrusion

Ce travail s'inscrit dans le domaine des cellules solaires organiques et se focalise sur le dimensionnement et design de la cellule. Nous avons cherché à établir la relation entre la forme d'une cellule solaire et sa dissipation thermique dans les électrodes, plus spécifiquement l'électrode inférieure transparente, car les matériaux utilisés pour la réaliser ont souvent une conductivité très faible par rapport à celle des électrodes métalliques. D'autre part nous présentons un modèle actif capable de simuler le comportement de la couche active selon différentes conditions d'éclairage (illumination partielle et défauts localisés) et pour différents régimes de fonctionnement (injection, polarisation). Dans le cadre du projet PHASME en partenariat avec Disasolar et l'INES, on a posé les bases pour le développement d'un logiciel de conception capable de réaliser un module solaire multicolore à partir d'un substrat de forme géométrique quelconque. On a identifié deux types d'algorithme. Une solution A (dite matricielle), pour laquelle on effectue le remplissage de la surface active du module avec des cellules identiques, relie entre elles ces cellules en sous-groupes pour créer le potentiel de fonctionnement souhaité. Une méthode B (dite non-matricielle) consiste à partager la surface du module en sous-modules de surface quelconque adaptée aux zones de couleur. Ces sous-modules sont ensuite découpés en groupement en série cellules du même type (couleur, performance, matériaux de couche active), mais dont la forme s'adapte exactement au remplissage du sous-module. Ces cellules doivent nécessairement avoir la même surface, afin de produire le même courant pour éviter les pertes dans le groupement en série
This work concerns organic solar cells and it focuses on several aspects of the design of the device that are related to the sizing. The core of this study highlights the relation between the shape of an organic solar cell and the thermal dissipation inside the electrodes. The main contribution to this power loss comes from the transparent back electrode, since its conductivity is typically lower than those of the top electrode. In parallel we developed a non-linear model for the active layer in order to simulate the behavior of the solar cells in several particular illumination cases (such as spotlights, shadows and defects in the active layer) and different working regime. In the framework of PHASME project, a grant in collaboration with Disasolar and CEA-INES, we developed another piece of software closer to the CAD domain which the main function was to create a photovoltaic polychrome module starting from a substrate with given shape and size. We found two strategies. One consists in filling by the same solar cell shape and size the entire substrate and then in finding a suitable grouping in order to have the correct working point outside the device (matrix approach). The other one (non-matrix approach) consists in adapting the shape of the device to a given colored region, each individual cell keeping the same surface extension, which allows them to be connected in series since they all generate the same amount of current