Synthèse et caractérisation des oligomères et polymères Ä-conjugués nanostructurés pour applications en photovoltaïque

Abstract

Organic photovoltaic (OPV) cells have been a subject of increasing interest during the last decade as they are promising candidates for low cost renewable energy production. In order to obtain reasonably high performance organic solar cells, development of efficient light absorbing materials are of primary focus in the OPV field. In this context, the present work is focused on the design and development of new electron donor materials (oligomers and polymers) as light absorbing materials based on “Donor-Acceptor” approach alternating electron donating group and electron withdrawing group. Three main families of electron donating group are studied: oligothiophenes, fluorene and indacenodithiophene. Fluorenone unit is the principal electron withdrawing group studied and a direct comparison with the system based on benzothiadiazole unit as electron withdrawing unit is also provided. Three main synthetic methods were employed: oxidative polymerization mediated by Iron (III) chloride and Palladium cross-coupling reactions according to Suzuki coupling or Stille coupling conditions. Spectroscopic studies on absorption and photoluminescence have demonstrated the presence of characteristic charge transfer complex in all the studied D-A oligomers and polymers allowing the extension of the absorption spectrum. The D-A oligomers and polymers have shown an overall low optical band gap of 1.6-2 eV with absorption spectra up to 600 to 800 nm. The nature of the charge transfer complex transitions bands were found to be depending on the strength of the electron donating unit and the electron withdrawing unit. Furthermore molecular packing in solution and in solid state has also demonstrated to contribute to extension of absorption spectrum. The HOMO and LUMO energy levels of the oligomers and polymers were determined by electrochemical measurements. Fluorene-based polymers have shown low lying HOMO energy levels, and these polymers demonstrate high open circuit voltage (Voc) in photovoltaic cell when combined with fullerenes derivatives PCBM with Voc values close to 0.9 V. The oligomers and polymers tested in photovoltaic devices have shown promising results with the highest power conversion efficiency obtained of 2.1 % when combined with fullerenes PCBMC70. These results were obtained after only limited numbers of device optimizations such as the active materials ratios and thermal annealing. Therefore further optimization of devices may exhibit higher power conversion efficiencies.Les cellules photovoltaïques organiques ont fait l'objet d'un intérêt croissant au cours de ces dernières décennies car elles offrent un grand potentiel pour une production d'énergie renouvelable à faible coût. Afin d'obtenir des cellules solaires organiques à haut rendement de conversion d'énergie, beaucoup de recherches se focalisent sur les matériaux ayant des capacités à absorber la lumière efficacement. Dans ce contexte, le présent travail se concentre sur la conception et le développement de nouveaux matériaux donneurs d'électrons (oligomères et polymères) comme matériaux absorbant de la lumière basée sur l'approche « Donneur-Accepteur » alternant des segments riches en électron (donneur d'électron) et des unités pauvres en électron (accepteur d'électron). Trois séries d'unités riches en électron ont été étudiées: oligothiophènes, fluorène et indacenodithiophene. L'unité fluorénone est la principale unité « accepteur d'électron » étudiée. Une comparaison directe avec le système basé sur l'unité benzothiadiazole comme accepteur d'électron est également rapportée. Trois méthodes principales de synthèse ont été utilisées: polymérisation oxydante par le chlorure de fer (III), et les couplages croisés au palladium de type Suzuki ou de Stille. Les études spectroscopique UV-Visible en absorption et en photoluminescence sur ces oligomères et polymères ont démontré la présence de complexes à transfert de charges permettant d'élargir le spectre d'absorption. Les oligomères et les polymères possèdent des faibles largeurs de bande interdite de 1,6 eV à 2 eV. Les systèmes ayant des unités fluorénones présentent des spectres d'absorption étendus allant jusqu'à 600-700 nm, tandis que les systèmes ayant des unités benzothiadiazoles présentent des spectres d'absorption allant jusqu'à 700- 800 nm. La nature des bandes de complexes à transfert de charge se révèle d'être dépendant de la force de respective des unités « donneur d'électrons » et des unités « accepteur d'électrons ». Les niveaux d'énergies HOMO et LUMO des oligomères et les polymères sont déterminés par des mesures électrochimiques. Les polymères à base de fluorène possèdent des niveaux d'énergie HOMO les plus bas. Ces polymères testés en mélange avec les fullerenes PCBM en cellules photovoltaïques ont démontré des valeurs élevées de tension en circuit ouvert (Voc) proche de 0,9 V. Tous les oligomères et les polymères ont été testés dans des dispositifs photovoltaïques et ont montré des résultats encourageants avec des rendements de conversion allant jusqu'à 2,1 %. Ce sont des premièrs résultats obtenus après seulement quelques optimisations (ratios oligomères ou polymères : fullerènes et recuit thermique). Ce travail prometteur permet ainsi d'envisager des résultats plus élevés dans le futur