Depuis 5 ans, les pérovskites hybrides organiques-inorganiques sont apparues comme une nouvelle classe de semiconducteurs possédant des propriétés optoélectroniques très intéressantes pour les dispositifs photovoltaïques et émetteurs de lumière. Cette thèse porte sur une étude expérimentale de spectroscopie optique, qui s’inscrit dans le champ d’exploration des propriétés optiques et des effets excitoniques des pérovskites hybrides CH3NH3PbX3 avec X = I ou Br. Nous avons étudié les propriétés optiques de couches minces déposées par spin-coating et de monocristaux élaborés en solution. Les couches minces présentent une structure granulaire et une densité élevée de défauts qui induisent une grande variabilité des propriétés optiques. L’étude des monocristaux nous a permis de mettre en évidence les propriétés intrinsèques du matériau : émission d’excitons libres, couplage électron-phonon, dynamique de recombinaison des porteurs de charge. De plus, nous avons exploré l’impact de la transition de phase orthorhombique-tétragonale sur les propriétés optiques de CH3NH3PbI3. Enfin, nous avons quantifié l’effet de la réabsorption sur les propriétés d’émission des pérovskites hybrides. L’estimation précise de cet effet est particulièrement importante pour l’interprétation des propriétés optiques des pérovskites hybrides et explique la grande hétérogénéité des résultats dans la littérature. / In the last five years, hybrid organic-inorganic perovskites have emerged as a novel class of semiconductors owing to their interesting electronic and optical properties for photovoltaic and light-emitting devices. This thesis reports an experimental study using optical spectroscopy to explore the optical properties and excitonic effects of hybrid perovskites such as CH3NH3PbX3 with X = I or Br.We studied the optical properties of spin-coated thin films and solution processed single crystals. Thin films present a granular structure and a high density of defects which induce a great variability of the optical properties. The study of single crystals allows us to highlight the intrinsic properties of material: free exciton emission, electron-phonon coupling and charge carriers recombination dynamics. Besides, we have investigated the impact of the orthorhombic-tetragonal phase transition on the optical properties of CH3NH3PbI3. Finally, we have quantified the effect of reabsorption on the emission properties of hybrid perovskites. The accurate estimate of this effect is particularly important for the interpretation of the optical properties of hybrid perovskites and explains the great heterogeneity of the results in the literature.

Ce mémoire porte principalement sur la synthèse et l'étude d'une nouvelle famille de polymères π-conjugués à base de l'unité 3,8-dibromo-5H-phénanthridin-6-one (PTD) pour des applications en cellules solaires organiques. Tout d'abord, deux voies de synthèse ont été employées afin d'obtenir deux monomères différents. Ces derniers ont été copolymérisés par poly(hétéro)arylation directe (DHAP) avec le 3,6-bis(thiophén-2-yl)-2,5-bis(2-octyldodécyl)-pyrrolo[3,4-c]p yrrole-1,4-dione (DPP) afin d'obtenir deux copolymères alternés ainsi qu'un terpolymère statistique. Les polymères ont aussi été synthétisés par couplage croisé de Suzuki afin de comparer les performances des matériaux synthétisés par les deux voies de synthèse. La caractérisation des propriétés optiques et électrochimiques a permis d'établir que ces polymères pourraient être de bons candidats dans un dispositif photovoltaïque. Les trois polymères obtenus ont donc été testés dans un dispositif photovoltaïque. Les deux copolymères alternés ont démontré des efficacités de conversion énergétique d'environ 4 %, alors qu'avec une optimisation rigoureuse du dépôt de la couche active du terpolymère, une efficacité de conversion énergétique maximale de 6,7 % a été atteinte avec le PC61BM comme accepteur. De plus, afin de limiter l'impact sur l'environnement que pourrait avoir une future production, les solvants chlorés ont été remplacés par l'o-xylène. Avec ce solvant, une efficacité de 5,8 % a été obtenue, ce qui est dans les meilleures valeurs rapportées dans la littérature avec un solvant non chloré. Dans le but de se rapprocher de la mise en œuvre industrielle à roulement, le dépôt par étalement a été employé grâce à une collaboration avec l'Institut de Recherche d'Hydro-Québec (IREQ). Une efficacité maximale de 5,0 % a été obtenue pour une cellule de 1 cm² avec un solvant de dépôt chloré et 4,7 % avec l'o-xylène. / This essay deals mostly with the study and the synthesis of new π-conjugated polymers based on the 3,8-dibromo-5H-phenanthridin-6-one (PTD) for application in organic solar cells. First, two synthetic schemes have been used in order to obtain the PTD before it can be alkylated. Once the alkylated compounds are obtained, those are going to be copolymerized with the 3,6-bis(thien-2-yl)-2,5-bis(2-octyldodecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrol e-1,4-dione (DPP) by direct hetero arylation (DHAP). The two copolymers and the random terpolymer have also been synthesized by Suzuki-Miyaura cross-coupling in order to compare both the characteristics and the performances of the polymers. The polymers have been tested in a photovoltaic device. Both copolymers performed well with efficiencies achieving 4%. After a rigorous optimization of the preparation of the active layer, the terpolymer reached a high efficiency of 6.7% with PC61BM as the acceptor. In order to reduce the impact on the environment, the chlorinated solvents were replaced by o-xylene. With this solvent, the polymer P3 performed well with efficiencies reaching 5.8%, which is one of the highest in the literature. As the main goal of this research is to develop materials for the commercialization, blade coating was employed to process the active layer in air, thanks to our collaborator of the Institut de Recherche of Hydro-Québec (IREQ). The highest efficiency achieved was 5.0% with the use of a chlorinated solvent and 4.7% with the use of o-xylene. To results makes this material a promising one for a lab-scale processes transfer to an semi-industrial fabrication.

La production durable d’énergie et la recherche d’alternatives aux sources non renouvelables font l’objet d’un grand intérêt à l’heure actuelle. Le principal objectif de cette thèse était de synthétiser et étudier de nouveaux complexes organométalliques à base de Ru-acétylure, puis évaluer leurs propriétés photovoltaïques dans des cellules solaires hybrides à colorant et organique à hétérojonction volumique. Des complexes bimétalliques dissymétriques ont été développés afin d’obtenir des chromophores à absorption panchromatique, en bénéficiant d’une structure « push-pull » et du motif [Ru(dppe)2] comme excellent relai d’électron. En parallèle des complexes symétriques à un ou deux centres métalliques ont été développés, ceux-ci ont ensuite été intégrés à des cellules solaires organiques à hétérojonction volumique. Lors de cette étude, chaque dispositif a fait l’objet de différentes étapes d’optimisations dans le but d’améliorer les transferts de charges en améliorant la morphologie de la couche active. Les principales méthodes d’optimisations appliquées ont consisté à réaliser des traitements par « solvent vapor annealing », ajouter des additifs structurants et utiliser le colorant dans une matrice polymère dans un dispositif à mélange ternaire. / Today the sustainable energy production and research for alternatives to non-renewable sources attract a lot of interest. The aim of this PhD research was to synthetize and study new organometallic complexes Ru-diacetylide based, then to characterize their photovoltaic properties in hybrid dye-sensitized and organic bulk-heterojunction solar cells. To obtain panchromatic chromophores, asymmetric bimetallic complexes have been designed using [Ru(dppe)2] unit as excellent electron relay in a “push-pull” structure. In parallel, symmetric complexes have been developed with one or two metallic centres, and then they have been integrated to organic bulk-heterojunction solar cells. For this study, each device has been optimized through different steps, in order to improve charges transfers by improving morphology of the active layer. The main methods of optimization applied consisted of application of “solvent vapor annealing” treatment, addition of structure additives and addition of the dye in polymer matrix, in ternary molecules blend device.

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la réalisation et l’étude des cellules solaires PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium. Nos études ont porté essentiellement sur l’optimisation des structures hybrides à base de PVK ou de MEH-PPV mélangé dans leur volume avec une phase de nanofils de silicium, référant aux structures PVK/NFSi et MEH-PPV/NFSi respectivement. Cette étude a montré l’étroite interdépendance entre la morphologie des nanocomposites et les propriétés photovoltaïques des cellules réalisées. Nous avons étudiés l’influence de la concentration des nanofils de silicium sur le processus de dissociation des paires photo-générées. Nous avons également étudié l’effet des traitements thermiques et nous avons mis en évidence un meilleur transfert de charge dans le cas des structures PVK/NFSi. Nous avons aussi observé l’influence bénéfique de la désoxydation ainsi que le traitement de fonctionnalisation des nanofils sur l’amélioration du transfert de charge dans le cas des structures réalisées. En conclusion, nous avons montré que les cellules PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium peuvent être optimisées grâce à la compréhension et au réglage fin du transfert de charges / The work presented in this thesis focuses on the implementation and study of hybrid solar cells interpenetrating networks using silicon nanowires. Our studies have focused on the optimization of hybrid structures based PVK or MEH-PPV mixed in their volume with silicon nanowires phase, referring to structures PVK/NFSI and MEH-PPV/NFSI respectively. This study showed the close interdependence between morphology and properties of nanocomposites photovoltaic cells made. We studied the influence of the concentration of silicon nanowires on the dissociation process of photo-generated pairs. We also studied the effect of heat treatment and we have demonstrated a better load transfer in the case of structures PVK/NFSI. We also observed the beneficial effect of deoxidation treatment and functionalization of the nanowires on the improvement of charge transfer in the case of structures made. In conclusion, we have shown that the PV hybrid cell using silicon nanowires can be optimized through understanding and fine tuning of the charge transfer

Les systèmes conjugués sont depuis une vingtaine d'années très étudiés pour leurs propriétés optoélectroniques et leur versatilité synthétique qui permettent leur incorporation dans des composants électroniques organiques. Parmi ceux-ci, les cellules solaires organiques en hétérojonction à base de chromophores donneur et accepteur d'électrons font l'objet d'un intérêt grandissant. Dans ce contexte, le travail présenté porte sur la synthèse et l'étude de systèmes moléculaires conçus pour une incorporation en tant que donneurs d'électrons dans des cellules solaires organiques. Le premier chapitre rappelle l'historique des cellules solaires puis s'attache à décrire en détails les fonctionnements, avantages et limitations des composants organiques. La seconde partie du chapitre est consacrée à la description de cellules solaires " en réseaux interpénétrés " dans lesquelles donneur et accepteur d'électrons sont intimement mélangés avec en particulier l'incorporation de dérivés moléculaires comme donneurs d'électrons dans ces dispositifs. Les deux chapitres suivants sont consacrés aux synthèses et études de composés de la famille de la triphénylamine ( TPA ). Le chapitre deux traite de TPA substituées par des groupes susceptibles d'engendrer de fortes interactions intermoléculaires alors que le chapitre trois s'intéresse à l'amélioration des propriétés spectroscopiques et électroniques par modification structurale des TPA. Dans ces chapitres, la synthèse et les études des produits sont présentées. Le dernier chapitre est consacré à des dérivés du dicétopyrrolopyrrole ( DPP ). Après un rappel bibliographique, les synthèses et propriétés de DPP fonctionnalisés sont présentées.

Le projet de cette thèse consistait à élaborer de nouveaux matériaux donneurs d’électrons pour les cellules solaires organiques. Cette technologie photovoltaïque émergente en plein essor a d’ores et déjà atteint la limite d’efficacité lui permettant d’être industrialisée et commercialisée à grande échelle. Le faible coût de production des dispositifs photovoltaïques organiques les rendent compétitives vis-à-vis des technologies inorganiques déjà bien implantées. Mais leur plus gros avantage est surement leur légèreté et leurs propriétés mécaniques qui les rendent très souples. Elles devraient donc certainement avoir un rôle majeur à jouer dans le futur en complément des cellules solaires classiques, avec une utilisation pour des applications spécifiques. Nous avons ainsi développé des polymères en utilisant des chromophores réputés pour leurs propriétés photophysiques : les porphyrines, les BODIPY et les dicétopyrrolopyrroles. Ces différentes unités absorbent intensément la lumière, ce qui les rend adéquates pour être utilisées pour la conversion de l’énergie solaire en électricité. En concevant un design original et adapté à cette application, nous avons ainsi obtenu plusieurs nouveaux polymères prometteurs. Nous avons ensuite pu étudier leurs propriétés électrochimiques et électroniques, ainsi que leurs caractéristiques photophysiques. Pour cela nous avons utilisé de nombreux outils (caméra streak, absorption transitoire femtoseconde, etc.) afin de comprendre en détails leur propriétés d’absorption et de luminescence. Ces informations nous ont permis de pouvoir ensuite comprendre leur comportement une fois intégrés dans la couche active des dispositifs photovoltaïques. En effet, le mécanisme de fonctionnement pour la création d’un courant électrique met en jeu des transferts d’électrons ultrarapides (∼50 fs) vers un accepteur d’électron. Il est alors crucial de pouvoir comprendre et contrôler les paramètres pouvant influencer l’efficacité de ces transferts et la stabilisation des charges qui en résultent, pour pouvoir finalement mener à des rendements de conversion de l’énergie lumineuse élevés.

L’une des tendances naturelle des technologies photovoltaïque est la réduction systématique de l’épaisseur des cellules solaires, que cela soit pour des raisons de coûts, d’économie d’éléments rares ou toxiques ou encore pour limiter les recombinaisons. Jusqu’à présent, les technologies couche minces cristallines (GaAs) et poly-crystallines (CIGS) trouvent des optimum d’efficacité de conversion pour des épaisseurs aux alentours de 1 ou 2 microns. Typiquement, cette gamme d’épaisseur ne nécessite pas de nouvelles solutions de piégeages optiques comme cela est le cas pour la filière silicium amorphe. Cependant, si l’on veut réduire ces épaisseurs d’un facteur 10 voire même 100 afin de s’orienter vers les nouveaux concepts de collections et conversions (GaAs ou GaSb) ou encore de réduire l’utilisation d’indium (CIGS), de nouveaux besoin en matière d’absorption efficace de la lumière sont nécessaires pour ces technologies. Ce manuscrit de thèse se concentre sur la conception, la simulation et la réalisation de solutions nanophotoniques nouvelles pour de futures cellules solaires cristallines ultrafines.Dans un premier temps, nous nous sommes engagé dans une approche en rupture avec la conception habituelle des cellules solaires pour piéger la lumière dans une cellule ultrafine (≤100 nm de matériaux couche-mince (GaAs, GaSb et CIGS). Nous proposons un réseau métallique nanostructuré placé en face avant de la cellule reportée sur un miroir métallique afin d'obtenir une absorption très élevée et multi-résonante, indépendante de l’angle d’incidence et de la polarisation. Une analyse numérique approfondie des mécanismes résonants en jeu a été menée ainsi que la fabrication et la caractérisation optique de démonstrateurs. Les résultats de cette étude sont motivants pour des travaux futurs sur les dispositifs ultrafins, mettant en jeu de nouveaux concepts de collection (transport balistique) ou de conversion (cellules solaires à porteurs chauds).Dans un deuxième temps, nous avons étudié la possibilité d’intégrer à court terme un contact arrière nanostructuré en or à des cellules solaires fines (200-400 nm) en CIGS afin d’augmenter potentiellement le courant de court-circuit et la tension de circuit ouvert. Nous avons proposé un procédé innovant pour réaliser cette structure et ce piégeage optique, jusqu’à lors inédits pour les cellules en CIGS. Etude numérique, fabrications de démonstrateurs et premières caractérisations de cellules solaires ultrafines sont présentés. / One of the natural tendencies of photovoltaic technologies is the systematic reduction of the thickness of the solar cells in order to reduce the cost, to save rare or toxic elements or to limit recombination. So far, crystalline thin-film (GaAs) and poly-crystalline (CIGS) technology are reaching optimum conversion efficiency for thicknesses around 1 or 2 microns. Typically, this thickness range does not require new solutions of optical trappings as it is the case for amorphous silicon. However, if we want to reduce these thicknesses by a factor of 10 or even 100 to study new concepts of collections and conversions (GaAs or GaSb) or reduce the use of indium (CIGS), new needs for efficient light absorption are necessary for these technologies. This manuscript is focused on the design, simulation and realization of innovative nanophotonic solutions for future ultra-thin crystalline solar cells.As a first step, we were engaged in an approach at odds with the usual design of solar cells to trap light in a ultra-thin (≤100 nm) layer of material (GaAs, GaSb and CIGS). We propose an array of metal nanostructure placed in front of the cell, transferred on a metal mirror in order to obtain a high, multi-resonant absorption independent of the angle of incidence and polarization. Numerical analysis of the resonant mechanisms involved was conducted as well as the fabrication and optical characterization of demonstrators. The results of this study are motivating for future work on the ultra-thin devices, involving new concepts of collection (ballistic transport) or conversion (hot carrier solar cells).On the other hand, we studied the possibility of integrating a rear gold nanostructured back contact (200-400 nm) in thin CIGS solar cells to potentially increase the current of short circuit and open circuit voltage. We have proposed an innovative process to achieve this structure and the optical trapping for CIGS solar cells. Numerical study, manufacture of demonstrators and first measurements are presented.

On constate une forte demande mondiale d' énergie propre et renouvelable en raison de la consommation rapide des combustibles fossiles non renouvelables et l'effet de serre qui en résulte. Une solution prometteuse pour produire une énergie propre et renouvelable est d'utiliser des cellules solaires pour convertir l' énergie solaire directement en électricité. Comparativement à leurs homologues inorganiques, les cellules solaires organiques (OSCs) sont maintenant intensivement étudiées en raison des avantages tels que le poids léger, la flexibilité, la compatibilité avec les procédés de fabrication à faibles coûts. Malgré ces avantages, l'efficacité de conversion (PCE) des OSCs doit encore être améliorée pour la commercialisation à grande échelle. Les cellules solaires organiques sont réalisées en pile de couches minces comprenant des électrodes, la couche de transport d' électrons, la couche de polymère actif et la couche de transport de trous. Dans cette étude, nous sommes concernés par la couche de PEDOT:PSS qui est couramment utilisée comme une couche tampon entre l'électrode anodique et la couche de polymère actif de cellules solaires organiques. Cette étude vise à intégrer différentes concentrations de nanoprismes (NPSMs) d'argent de taille sub-longueur d'onde dans du PEDOT: PSS afin de profiter de leurs propriétés optiques uniques nées de résonances de plasmons de surface localisées (LSPR) pour améliorer la collecte lumineuse et l'efficacité de génération de charge en optimisant l' absorption et la diffusion de la lumière. Nous avons constaté que les facteurs clés qui contrôlent les performances des cellules solaires plasmoniques comprennent non seulement les propriétés optiques, mais également les propriétés structurelles et électriques des couches hybrides de PEDOT:PSS comprenant des NPSMs d' Ag. D'une part, l'ajout de NPSMs d' Ag conduit ¨¤ (1) une augmentation de l'absorption optique; (2) de la diffusion de la lumière ¨¤ de grands angles ce qui pourrait conduire ¨¤ un meilleur piégeage de la lumière dans les OSCs. D'autre part, (1) la rugosité de surface est augment¨¦e en raison de la formation d'agglomérats de NPSMs d' Ag, ce qui conduit ¨¤ une meilleure efficacité de collecte de charge; (2) la résistance globale des films hybrides est également augment¨¦e en raison de l'excès de PSS introduit par les NPSMs d' Ag incomplètement purifiées, inférieur courant de court-circuit (Jsc) qui en résulte; (3) les Ag NPSMs et leurs agglomérats ¨¤ l'interface PEDOT:PSS/couche photo-active pourraient agir comme des centres de recombinaison, conduisant ¨¤ une réduction de la résistance de shunt, du Jsc et de la tension en circuit ouvert (Voc). Afin de résoudre partiellement l'inconvénient (2) et (3), en intégrant des NPSMs d¡¯Ag davantage purifiés et une petite quantité de glycérol dans le PEDOT:PSS, la résistance des couches hybrides de PEDOT:PSS-Ag-NPSMs peut ¨être réduite à une valeur comparable ou inférieure ¨¤ celles couches vierges. Les futurs progrès en chimie de surface colloïdale et l'optimisation sur le processus d'incorporation des nanoparticules seront nécessaires pour produire des cellules solaires organiques plasmoniques de meilleures performances. / Nowadays there has been a strong global demand for renewable and clean energy due to the rapid consumption of non-renewable fossil fuels and the resulting greenhouse effect. One promising solution to harvest clean and renewable energy is to utilize solar cells to convert the energy of sunlight directly into electricity. Compared to their inorganic counterparts, organic solar cells (OSCs) are now of intensive research interest due to advantages such as light weight, flexibility, the compatibility to low-cost manufacturing processes. Despite these advantages, the power conversion efficiency (PCE) of OSCs still has to be improved for large-scale commercialization. OSCs are made of thin film stacks comprising electrodes, electron transporting layer, active polymer layer and hole transporting layer. In this study, we are concerned with PEDOT:PSS layer which is commonly used as a buffer layer between the anodic electrode and the organic photoactive layer of the OSC thin film stack. We incorporated different concentrations of silver nanoprisms (NPSMs) of sub-wavelength dimension into PEDOT:PSS. The purpose is to take advantage of the unique optical properties of Ag MPSMs arisen from localized surface plasmon resonance (LSPR) to enhance the light harvest and the charge generation efficiency by optimizing absorption and scattering of light in OSCs. We found that the key factors controlling the device performance of plasmonic solar cells include not only the optical properties but also the structural and electrical properties of the resulting hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films. On one hand, the addition of Ag NPSMs led to (1) an increased optical absorption; (2) light scattering at high angles which could possibly lead to more efficient light harvest in OSCs. On the other hand, the following results have been found in the hybrid films: (1) the surface roughness was found to be increased due to the formation of Ag agglomerates, leading to increased charge collection efficiency; (2) the global sheet resistance of the hybrid films also increases due to the excess poly(sodium styrenesulphonate) introduced by incompletely purified Ag NPSMs, resulting in lower short circuit current (Jsc); (3) the Ag nanoprisms and their agglomerates at the PEDOT:PSS/photoactive layer interface could act as recombination centers, leading to reductions in shunt resistance, Jsc and open circuit voltage (Voc). In order to partially counteract the disadvantage (2) and (3), by incorporating further purified Ag NPSMs and/or a small amount of glycerol into PEDOT:PSS, the sheet resistance of hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films was reduced to a resistance value comparable to or lower than that of pristine film.

Dès à présent, le monde est face à des enjeux majeurs : augmentation de la production d'énergie, réduction des impacts de la production et de la consommation d'énergie sur l'environnement. La transition vers des énergies durables a déjà commencé. Le photovoltaïque a sa place parmi les énergies renouvelables qui permettront de relever ce défi. Ce travail de thèse porte sur les pérovskites hybrides halogénées et plus particulièrement leur utilisation dans des cellules solaires. En effet très récemment, ces matériaux ont attiré l'attention de la communauté scientifique en raison de leurs propriétés optoélectroniques remarquables : bande interdite directe, forte absorption de la lumière, longueurs importantes de diffusion des porteurs, propriétés optoélectroniques accordables mais aussi une fabrication aisée et à bas coût. En quelques années, le rendement a connu une augmentation spectaculaire de 3,8 % en 2009 à 22,7 % en 2017. Ainsi, ces derniers résultats placent les cellules pérovskites comme des concurrents potentiels face aux cellules solaires à base de silicium cristallin qui représentent aujourd'hui 90 % des cellules en service. Dans la conception des cellules solaires à base de pérovskite, la couche de pérovskite est généralement intercalée entre deux couches de transporteurs de charges : les couches de transporteurs d'électron et de trou (ETM et HTM, respectivement). La qualité de ces couches est essentielle pour obtenir de hauts rendements. Dans ce travail, les propriétés optoélectroniques des pérovskites halogénées sont étudiées ainsi que plusieurs couches de transport de charge. / In the future, the world has to face up to major challenges: increasing the energy production, reducing the environmental impact, moving towards sustainability in energy, etc. Renewable energies such as photovoltaics can meet these challenges. This thesis concerns hybrid halide perovskite materials and their use in solar cells. These materials have recently attracted a lot of attention owing to their direct bandgaps, strong light absorption, large carrier diffusion lengths, tunable optoelectronic properties, and their facile and low-cost fabrication In few years, their energy conversion efficiency has rapidly increased from 3.8 % in 2009 to 22.7 % in 2017, hence approaching efficiencies of crystalline silicon based-devices which represent 90% of commercial photovoltaic cells. In the design of perovskite cells, the perovskite photoabsorber is generally sandwiched by two interfacial layers that yield selective charge collections: the hole and electron transport layers (HTM and ETM). Good quality and adapted interfacial layers are required to obtained high efficiency cells. In this thesis, both the perovskite material and the interfacial layers are investigated.

Face à la croissance de la demande énergétique, les énergies alternatives, telles que l’énergie photovoltaïque, représentent des solutions réalistes. Cette dernière nécessite des matériaux efficaces pour la capture des photons et leur conversion en électricité.Les cellules solaires organiques (CSOs) sont basées sur les propriétés semiconductrices de certaines molécules ou de certains polymères π-conjugués. Dans le domaine des CSOs, les efforts de recherche actuels se concentrent selon trois axes : la réduction des coûts, l’augmentation de la durée de vie des cellules solaires et l’augmentation des rendements de conversion photovoltaïque. Les récentsdéveloppements ont conduit à une complexification des architectures des CSOs ainsi que des semi-conducteurs organiques utilisés, induisant une augmentation des coûts de fabrication. Dans une logique de développement économiquement efficace et écologiquement soutenable, il est nécessaire aujourd’hui de se concentrer sur des semi-conducteurs organiques viables économiquement et dont la synthèse est respectueuse de l’environnement. Ce travail doctoral a pour but de développer de nouveaux matériaux semi-conducteurs organiques bio-inspirés et bas coût. Les molécules étudiées présentent une structure donneur-accepteur-donneur. Leur squelette est celui de la curcumine, molécule qui donne sa couleur au curcuma. Le groupement accepteur est un difluorure de bore. Les groupements donneurs quant à eux varient suivant les semi-conducteurs. Les propriétés optoélectroniques de dix-sept dérivés curcuminoïdes ont été étudiées. Plusieurs d’entre eux se sont démarqués : ceux avec des groupements anthracène, ceux avec des dérivés thiophènes, enfin et impact sur les performances photovoltaïques de la formulation de l’encre utilisée pour le dépôt de la couche a été étudié en détail. Différents matériaux accepteurs ont été testés, de même que l’utilisation de mélanges ternaires. Pour l’un de dérivés curcuminoïde en combinaison avec du PC61BM, des rendements supérieurs à 4 % ont été obtenus avec des tensions de circuit ouvert supérieures à 1,0 V. Au regard de la simplicité structurale de ce semi-conducteur, ces résultats figurent à notre connaissance parmi les meilleurs reportés dans la littérature. Les phénomènes photophysiques ont également été étudiés par spectroscopie d’absorption des espèces transitoires. Enfin, le procédé de fabrication a été rapproché des conditions industrielles en éliminant les solvants halogénés utilisés et en travaillant à l’air ambiant. Finalement, bien qu’intéressantes, les propriétés photovoltaïques restent limitées pour une application industrielle du fait de la faible mobilité des trous de ces matériaux. / To face the growing needs in energy, renewable energies like solar photovoltaic represent realistic solutions. Photovoltaic energy requires efficient materials to absorb photons and to convert them into electricity. Organic solar cells (OSCs) are based on semiconducting π-conjugated polymer or small molecules. Current research in this field focuses on three main topics: the reduction of costs, the increase of device lifetime and the increase of power conversion efficiency. This last issue led to an increase in the complexity of OSCs architecture as well as organic semi-conductors, leading to anincrease in manufacturing costs. In order to develop sustainable and eco-friendly processes, it is now important to work on cost effective semi-conductors obtained fromgreen synthetic methodology. The aim of this thesis was to develop new bio-inspired organic semi-conductors. These materials are potentially low cost. Molecules studied present donor-acceptor-donor structure. They have the skeleton of curcumine. Curcumine is a natural yellow dye present in curcuma. Acceptor group is boron difluoride. Donor groups vary depending on the curcuminoid derivative. Optoelectronicproperties of seventeen semi-conductors were studied. Several of them stood out: those with anthracene groups, those with thiophene derivatives, finally and especially, those with triphenylamine groups. For this last family, the impact on the photovoltaic performances of the ink formulation used for deposition has been deeply studied. Several acceptor materials were tested, as well as ternary blend. For one curcuminoid derivative combined with PC61BM, efficiency above 4% has been achieved with open circuit voltage up to 1.0 V. Due to the very simple chemical structure of the donor, this represents one of the best result reported in literature to our knowledge. Transient species were also studied by ultrafast spectroscopy. The fabrication process was also changed to eliminate halogenated solvent and to enable processing in ambient air like in industrial process. Finally, photovoltaic properties observed are interesting. Nevertheless, they are not sufficient for industrial application due to low hole mobility in these materials.