Ce travail est consacré à l‟étude de la stabilité photochimique de nanocomposites polymère / argile en vue de leur insertion dans un système multicouche organique / inorganique pour l‟encapsulation des cellules solaires organiques. L‟objectif est d‟obtenir des films de nanocomposites polymère / argile flexibles, transparents, pouvant être mis en oeuvre par voie liquide, et photochimiquement stables. Dans une première partie, la caractérisation de nanocomposites à base d‟alcool polyvinylique (PVA) a montré leur aptitude à être insérés dans un système multicouche, notamment en ce qui concerne les propriétés barrière aux gaz. L‟étude du comportement photochimique du PVA basée sur l‟identification des produits de dégradation a permis de proposer un mécanisme de photooxydation du PVA et de déterminer les effets du photovieillissement sur les propriétés du film (rugosité, perméabilité, transparence). L‟insertion de nanocharges lamellaires (Montmorillonite, Laponite ou Hydroxydes Doubles Lamellaires) dans le PVA induit des effets différents (prodégradant ou stabilisant) en fonction de la nature de l‟argile (naturelle ou synthétique). Cependant, lors d‟irradiations en absence d‟oxygène, le PVA et les nanocomposites PVA / argile sont très stables. Enfin, l‟encapsulation alternant couche inorganique SiOx et couche organique PVA ou nanocomposite PVA / argile, permet d‟atteindre les niveaux de perméation requis pour les cellules solaires organiques pour des applications nomades. / This work was devoted to the study of the photochemical behavior of polymer / clay nanocomposites with the aim to use these nanocomposites in a multilayer organic / inorganic coating for organic solar cells encapsulation. The goal of this work was to obtain polymer / clay nanocomposite films that are flexible, transparent, which can be processed by solution, and that are photochemically stable. In the first part, the characterization of nanocomposites based on polyvinyl alcohol (PVA) has shown their ability to be inserted into a multilayer system, particularly for gas barrier properties. The study of the photochemical behavior of PVA with the identification of photodegradation products allows us to propose a photooxidation mechanism of PVA and to determine the effects of photoageing on the film properties (roughness, permeability, transparency). The insertion of lamellar nanofillers (Montmorillonite, Laponite or Layered Double Hydroxide) in PVA induces different effects (prodegradant or stabilising) depending on the nature of the clay (natural or synthetic). However, in absence of oxygen, the PVA and PVA / clay nanocomposites are very photostable. Finally, encapsulation alternating inorganic SiOx layer and PVA or PVA / clay nanocomposite layer permits to obtain the permeability levels required for organic solar cells in niche markets (consumer electronics).

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'objectif de ce travail était le développement des nanocomposites d’EVOH/zeolites à base de charges telles que les zéolites pour l’encapsulation des cellules solaires organiques, et l’étude de leur comportement photochimique. Ce travail a porté sur l’étude du mécanisme de photooxydation des copolymères d’EVOH puis sur l'impact des zéolites sur ce mécanisme. Les propriétés fonctionnelles des nanocomposites d’EVOH/zéolites ont été étudiées en prenant en compte le taux de charge et la taille des particules. Les propriétés des copolymères d’EVOH et des nanocomposites d’EVOH/zéolites comme la transparence optique, la morphologie de surface, les propriétés mécaniques et thermiques, et les propriétés d'absorption de l'eau ont été étudiées. Sur la base des résultats obtenus, les meilleurs candidats pour l'encapsulation des cellules solaires organiques ont été proposés. Le mécanisme de photooxydation des copolymères a été proposé, la photostabilité des matériaux et l'impact des zéolites sur le comportement photochimique du polymère ont été étudiés. Le test électrique de calcium et le suivi des performances des cellules solaires organiques encapsulées ont été effectués afin d'évaluer l’efficacité des matériaux étudiés comme candidats potentiels pour une encapsulation efficace et stable des cellules solaires. / The goal of this work was to develop EVOH/zeolite nanocomposites based on inorganic fillers such as zeolites for potential encapsulation of OSCs and to investigate their photochemical behaviour. The research was focused on the photooxidation mechanism of pristine EVOH copolymers and on the impact of the filler addition on this mechanism. EVOH/zeolite nanocomposites functional properties were characterised taking into account different particle sizes and filler contents. Properties of EVOH copolymers and EVOH/zeolites nanocomposites such as optical transparency, surface morphology, mechanical and thermal properties, and water uptake properties were investigated. On the basis of obtained results, the best candidate(s) for encapsulation of organic solar cells has been proposed. The chemical degradation mechanism of pristine polymers has been proposed, the materials photostability and the impact of the zeolite particles on the photochemical behaviour of the polymer have been studied. Electrical calcium test and performance of encapsulated OSCs were carried out in order to evaluate the ability of the studied materials to be used as potential candidates for efficient and stable encapsulation coatings for OSCs applications.

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.

Les cellules solaires en couches minces permettent de produire de l'énergie à bas-coût et sans émission de gaz à effet de serre. Dans le but de réaliser des dispositifs toujours plus performants, nous étudions l'impact de l'intégration de nanostructures métalliques (NSs) au sein de cellules solaires organiques (CSO). Ces NSs peuvent alors générer des effets diffusifs et des résonances issues de plasmons de surface. A l'aide d'un modèle numérique FDTD, nous démontrons que l'ingénierie plasmonique peut servir à augmenter l'absorption dans le matériau photoactif tout en limitant l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les NSs. L'influence de paramètres opto-géométriques de structures associant matériaux organiques et effets plasmoniques est étudiée (diamètre, position des particules dans la couche et période du réseau de particules sphériques). Expérimentalement, des NSs d'argent ont été réalisées par évaporation sous vide puis intégrées dans des couches organiques. Nous avons mesuré une exaltation de l'absorption optique dans la gamme spectrale utile à la photo-conversion. Trois architectures différentes de CSO plasmonique ont été fabriquées et caractérisées par MEB, TEM et ToF-SIMS, puis modélisées, permettant d'identifier des verrous technologiques et de proposer des pistes d'amélioration. Nous avons aussi intégré des NSs au sein d'un empilement transparent et conducteur de type oxyde/métal/oxyde, dans le but de remplacer l'électrode classique en oxyde d'indium et d'étain d'une CSO. Le rôle de chaque couche de l'empilement sur le comportement optique de l'électrode est discuté. Les épaisseurs des couches d'une électrode de type ZnO/Ag/ZnO ont été optimisées.

Les cellules solaires en couches minces permettent de produire de l'énergie à bas-coût et sans émission de gaz à effet de serre. Dans le but de réaliser des dispositifs toujours plus performants, nous étudions l'impact de l'intégration de nanostructures métalliques (NSs) au sein de cellules solaires organiques (CSO). Ces NSs peuvent alors générer des effets diffusifs et des résonances issues de plasmons de surface. A l'aide d'un modèle numérique FDTD, nous démontrons que l'ingénierie plasmonique peut servir à augmenter l'absorption dans le matériau photoactif tout en limitant l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les NSs. L'influence de paramètres opto-géométriques de structures associant matériaux organiques et effets plasmoniques est étudiée (diamètre, position des particules dans la couche et période du réseau de particules sphériques). Expérimentalement, des NSs d'argent ont été réalisées par évaporation sous vide puis intégrées dans des couches organiques. Nous avons mesuré une exaltation de l'absorption optique dans la gamme spectrale utile à la photo-conversion. Trois architectures différentes de CSO plasmonique ont été fabriquées et caractérisées par MEB, TEM et ToF-SIMS, puis modélisées, permettant d'identifier des verrous technologiques et de proposer des pistes d'amélioration. Nous avons aussi intégré des NSs au sein d'un empilement transparent et conducteur de type oxyde/métal/oxyde, dans le but de remplacer l'électrode classique en oxyde d'indium et d'étain d'une CSO. Le rôle de chaque couche de l'empilement sur le comportement optique de l'électrode est discuté. Les épaisseurs des couches d'une électrode de type ZnO/Ag/ZnO ont été optimisées. / Thin-film solar cells are able to produce low-cost energy without greenhouse gas emissions. In order to increase devices performance, we investigate the impact of metallic nanostructures (NSs) integrated in organic solar cells (OSC). These NSs can generate scattering effects and surface plasmon resonances. Using FDTD modeling, we demonstrate that plasmon engineering can be used to increase light absorption in a photoactive material while minimizing the energy lost as heat in the NSs. The influence of opto-geometrical parameters of plasmonic structures in organic material is investigated (diameter, position of particles in the layer and period of spherical particles array). Experimentally, silver NSs are deposited by evaporation and incorporated into an organic layer. We measured an optical absorption enhancement in the spectral range useful for photo-conversion. Three different architectures of plasmonic OSC are fabricated and characterized by SEM, TEM and ToF-SIMS, then modeled, allowing us to identify some technological obstacles and to propose possible improvements. We also integrated NSs inside a transparent and conductive multilayer stack composed of oxide/metal/oxide, in the aim of replacing the traditional indium tin oxide electrode of a OSC. The role of each layer of the stack on the electrode optical behavior is discussed. Layers thicknesses of a ZnO/Ag/ZnO electrode were optimized.

L'une des approches pour améliorer les performances des cellules solaires organiques, sans augmenter l'épaisseur de la couche photoactive, consiste à incorporer des nanoparticules (NPs) métalliques dans cette couche ou à proximité pour bénéficier de la diffusion de la lumière incidente ou de résonances de plasmons de surface localisés. Cependant, ces NPs métalliques peuvent engendrer des recombinaisons des porteurs de charges électriques, créer des court-circuits ou favoriser l'extinction des excitons au contact du métal. Une solution est alors de protéger ces NPs métalliques par un revêtement diélectrique (coquille ou couche fine). L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de nanostructures de type cœur–coquille (métal-diélectrique) sur les performances optiques et photoélectriques de cellules solaires organiques, à l'aide de modélisations numériques et de réalisations expérimentales. Dans un premier temps, une étude numérique prédictive, basée sur une modélisation par méthode FDTD, nous a permis d'analyser l'influence de paramètres architecturaux et opto-géométriques sur les propriétés optiques de cellules solaires plasmoniques. Par la suite, nous avons synthétisé et caractérisé des nanosphères (NSs) avec un cœur métallique en argent ou en or recouverts d'une fine coquille de silice. L'incorporation de NSs Ag@SiO2 synthétisées (voie humide) ou de NPs Ag/SiO2 déposées par évaporation (voie sèche) dans des cellules solaires à architecture inverse ont permis d'augmenter le photocourant de 12% ou de 18% respectivement par rapport à la cellule de référence (sans NSs). / One of the approaches to improve the organic solar cells performance without increasing the thickness of the photoactive layer is to incorporate metallic nanoparticles (NPs) in this layer or in its proximity to have benefited from light scattering or localized surface plasmon resonance effects. However, these NPs can generate charge carriers recombination, short circuits or exciton quenching due to the contact with the metal. A solution is then to coat these MNPs with a dielectric (thin shell or layer) to protect them. The objective of this thesis is to study the influence of metal­dielectric core­shell nanostructures on the optical and photoelectric performances of organic solar cells, by using numerical modeling and experiments. First, a predictive numerical analysis by FDTD modeling allowed us to optimize the influence of architectural and optogeometric parameters on optical properties of plasmonic organic solar cells. Silver or gold core nanospheres (NSs) coated with a thin silica shell were synthesized and characterized. Finally, the integration of chemically synthesized Ag@SiO 2 NSs (wet process) or Ag/SiO 2 NPs deposited by evaporation (dry process) in inverted organic solar cells has increased the photocurrent by 12% or 18%, respectively, compared to the reference cell(without NSs).

Le contexte actuel de forte croissance des besoins en énergie dans le monde nécessite une diversification de sa production, notamment vers des sources renouvelables tout en limitant autant qu’il est possible l’émission de gaz à effet de serre. Parmi les énergies renouvelables une des plus prometteuses et abondantes est l’énergie solaire et il apparaît évident que l’énergie solaire, thermique ou photovoltaïque, représente un enjeu crucial pour diminuer la consommation d’énergie fossile. Actuellement 90 % des générateurs solaires sont élaborés en silicium cristallin, ce qui pose un problème d’approvisionnement en matière première, les producteurs de silicium n’ayant pas su anticiper la forte expansion de la filière solaire. Des concepts innovants présentent une forte potentialité en termes de coût de production et d’application, notamment les filières organiques et hybrides (organique/oxyde métallique). En Europe, la France est très active dans ce domaine de recherche, en particulier en ce qui concerne l’utilisation de nouveaux matériaux nanostructurés organiques ou de structures hybrides. C'est pourquoi Disasolar, une start-up française spécialisée dans le photovoltaïque souple, souhaite développer cette activité en élaborant des modules solaires souples par impression jet d'encre. Les objectifs de cette thèse sont d'étudier des nouveaux matériaux d'interface imprimables et d'évaluer l'effet de la dimension des nanoparticules sur la topologie et les performances des dispositifs. Et dans un deuxième temps l'étude portera sur l'impression des matériaux d'interface et la stabilité des cellules solaires organiques. / The current context of strong growth in energy demands in the world requires diversification of its production, in particular towards renewable sources while limiting as far as possible the emission of greenhouse gases. Among the most promising and abundant renewable energies is solar energy and it is evident that solar, thermal or photovoltaic energy represents a crucial issue to reduce the consumption of fossil energy. Currently 90% of the solar generators are made of crystalline silicon, which poses a problem of supply of raw material, as silicon producers did not know how to anticipate the strong expansion of the solar sector. Innovative concepts present a high potential in terms of cost of production and application, in particular organic and hybrid (organic / metal oxide) dies. In Europe, France is very active in this area of research, particularly with regard to the use of new organic nanostructured materials or hybrid structures. This is why Disasolar, a French start-up specializing in flexible photovoltaics, wants to develop this activity by developing flexible solar modules by inkjet printing. The objectives of this thesis are to study new printable interface materials and to evaluate the effect of nanoparticle size on the topology and performance of devices. And secondly, the study will focus on the printing of interface materials and the stability of organic solar cells.

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).<br />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.

Nous avons déterminé l'alignement des niveaux énergétiques d’un solide moléculaire organique, transporteurs de trous, avec un oxyde d'indium dopé à l’étain (ITO), un conducteur transparent. Les molécules étudiées, basées sur une structure dipyranylidène (DIP), diffèrent par leur hétéroatome (O, S et Se). La spectroscopie de photoémission X a été utilisée pour déterminer cet alignement, et nous avons étudié l'orientation moléculaire par spectromicroscopie d'absorption X. Des calculs DFT ont été réalisés pour interpréter les données spectroscopiques. Nous avons constaté la présence d'un transfert de charge, au moins pour les dérivés oxygénés et soufrés. Celui-ci a lieu des molécules vers l’ITO, lorsqu'ils sont en contact intime avec le substrat. Nous avons déterminé la barrière d'injection des trous entre le niveau de Fermi de l’ITO et la HOMO du solide organique. Notre approche expérimentale met l'accent sur la relation entre les propriétés structurelles et les propriétés électroniques. Ces résultats ont été obtenus pendant des runs synchroton en France (SOLEIL), en Italie (ELETTRA) et en Suisse (SLS). / The energy level alignment of hole-transport organic molecular solids with indium tin oxide (ITO), a transparent conducting oxide, has been characterized. The studied molecules, based on the dipyranylidene (DIP) structure, differ by the heteroatom (O, S and Se). Synchrotron photoemission electron spectroscopy has been used to determine the alignment, and we investigated the molecular orientation via X-ray absorption spectromicroscopy. By interpreting spectroscopic data in the light of DFT calculations, we found evidence of the presence of charge transfer from the molecules to the ITO, when they are in intimate contact with the substrate, at least for the O and S-DIPs. The hole injection barrier between the ITO Fermi level and the organic HOMO was obtained. Our experimental approach emphasizes the relationship between structural and electronic properties. These results were obtained during beamtimes in France (SOLEIL), Italy (ELETTRA) and Switzerland (SLS).