L'objectif de cette thèse était l’étude de dispositifs électroniques à base de pérovskites hybrides. Dans ce cadre nous avons développé et fabriqué des transistors à effet de champ (FET) ainsi que des cellules solaires à base de perovskite. Dans le cas des transistors, en utilisant des couches minces de pérovskites hybride hautement cristallisées nous avons réalisé des transistors ambipolaires fonctionnant à la température ambiante et présentant une hystérésis faible, une transconductance élevée (pour ce type de matériau), et un rapport Ion / Ioff> 104. Dans le cadre de cette thèse l’utilisation de plusieurs diélectriques nous a permis d’obtenir une forte modulation de la conductance du canal avec des tensions de grille relativement faibles (4-6V). Dans ce cadre l’oxyde d’Hafnium de permittivité relative er=23.5 a montré de très bonnes performances et une très bonne compatibilité pour la croissance de pérovskite hybride. Après plusieurs étapes de polarisation les dispositifs ont présenté un fonctionnement stabilisé et ont été mesurés au cours des cycles consécutifs pendant 14 heures avec peu de changement dans leurs performances. Nous avons mis en évidence que l’augmentation du champ électrique a permis la formation d’un canal de trous à l’interface. La polarisation consécutive des dispositifs à base de HfO2/pérovskite a amené à la création d’un second courant d’électrons et a mis en évidence un fonctionnement ambipolaire final. L’ensemble des dispositifs ont présenté une hystérésis dont l’amplitude était parfois non négligeable. Cela a démontré la présence de charges mobiles ioniques aux interfaces qui influence les courants de sorties du dispositif. Dans la dernière partie de la thèse nous nous sommes intéressés à la croissance de pérovskite hybride pour la production de cellules solaires. Nous avons étudié les deux conditions de croissance suivantes : conditions sous air normal (humidité relative> 60%) et en atmosphère d’azote en boites à gants (humidité relative <0.1 ppm). Par ces deux voies nous avons obtenu respectivement des rendements de conversion photovoltaïque respectivement de 5% et 8%. / The objective of this thesis was the study of electronic devices based on hybrid perovskites. In this context we have developed and produce field effect transistors (FETs) and solar cells based on hybrid perovskite material. In the case of transistors, using thin layers of highly crystallized hybrid perovskites we have made ambipolar transistors operating at room temperature and having low hysteresis, high transconductance (for this type of material) and a ratio of Ion / Ioff > 104. In the context of this thesis, the use of several dielectrics allowed us to obtain a high modulation of the channel conductance with relatively low gate voltages (4-6V). Hafnium oxide with relative permittivity er = 23.5 showed very good performances and a very good compatibility for the hybrid perovskite growth. After several polarization steps the devices exhibited stabilized operation and were measured in consecutive cycles for 14 hours with small change in their performance. We have shown that the increase of the electric field allowed the formation of a hole channel at the interface. The successive polarization of HfO2 / perovskite-based devices led to the creation of a second electron current and demonstrated a final ambipolar device. All the devices presented a hysteresis with amplitude sometimes not negligible. This demonstrated the presence of mobile ion charges at the interfaces that influence the output currents of the device. In the last part of the thesis we focused our work in hybrid perovskite growth for the production of solar cells. We have studied two growth conditions: conditions under normal air (relative humidity> 60%) and nitrogen atmosphere in glove boxes (relative humidity <0.1 ppm). By these two paths we obtained photovoltaic conversion efficiencies of 5% and 8% respectively.

Développée il y a vingt ans par le professeur Grätzel, la technologie des cellules solaires à colorant constitue une alternative intéressante aux panneaux solaires à base de silicium communément commercialisés. Contrairement aux cellules photovoltaïques conventionnelles, le fonctionnement de ces dispositifs repose sur un principe inspiré de la photosynthèse naturelle. En effet, basés sur la sensibilisation de l’oxyde de titane par un colorant absorbant la lumière du soleil à l’instar de la chlorophylle chez les plantes, ces dispositifs permettent d’atteindre des rendements de conversion de l’énergie solaire en électricité de plus de 10% pour des coûts de production relativement bas. Ces travaux de thèse concernent la synthèse de nouveaux complexes de ruthénium porteurs de ligands terpyridines. Les ligands terpyridines ont été préparés par une méthode simple et douce. Une nouvelle voie de synthèse du ligand 4,4’,4’’-tricarboxy-2,2’ :6’,2’’-terpyridine (H3tcterpy) a été développée et comparée à la voie initiale en utilisant les critères de la chimie verte. Les complexes obtenus à partir de ces ligands ont été étudiés par spectroscopie d’absorption UV-visible, d’émission et par électrochimie afin de déterminer leur réponse spectrale ainsi que leurs propriétés énergétiques. Certains colorants ont été testés au sein de cellules photovoltaïques atteignant des performances allant jusqu’à 5,57% de rendement de conversion de l’énergie solaire en électricité. / Developed twenty years ago by Prof Grätzel, Dye sensitized solar cells are an interesting alternative to the commonly commercialized silicon based solar panels. Unlike conventional solar cells, the operation principle of these devices is based from natural photosynthesis. Indeed, based on the sensitization of titanium dioxide by a dye that absorbs solar light such as chlorophyll from plants, these devices can reach solar energy to electricity conversion yield above 10% with low production costs. This PhD project deals with the synthesis of new ruthenium complexes bearing terpyridine ligands. Terpyridine ligands have been prepared by a straightforward and mild method. A new route has been developed for the synthesis of 4,4’,4’’-tricarboxy-2,2’ :6’,2’’-terpyridine (H3tcterpy) and compared to the initial pathway using green chemistry criteria. The complexes obtained from these ligands have been studied by UV-visible and emission spectroscopies and electrochemistry with a view to determine their spectral responses and their energetic properties. Some of these dyes have been tested in dye sensitized solar cells, reaching solar energy conversion to electricity yields up to 5.57%.

La faible durée de vie des cellules solaires organiques constitue un frein à leur développement commercial. Dans ce contexte, ce travail de thèse a été consacré à l’amélioration de la résistance mécanique des cellules d’une part, et d’autre part à l’étude de leur stabilité chimique sous l’impact de la lumière. Concernant le premier axe de recherche, nous avons proposé la synthèse de nouveaux copolymères à blocs (P3HT-b-P(R)SS) susceptibles d’améliorer l’adhésion entre la couche active (P3HT:PCBM) et la couche qui transporte les trous (PEDOT:PSS) dans des dispositifs inverses. Puis, concernant le second axe de recherche, à savoir l’amélioration de la résistance à la lumière de la couche active des cellules, nous avons élucidé les mécanismes de dégradation des polymères et identifié celles de leurs propriétés physico-chimiques impactant leur stabilité. En combinant techniques analytiques et modélisation, il a tout d’abord été possible d’identifier les points faibles d’un polymère modèle, le Si-PCPDTBT. Puis, dans l’objectif d’établir une relation structure-stabilité, l’effet de la variation systématique du squelette conjugué et de la chaîne latérale du polymère a été étudié. Finalement, une analyse multi-échelle a été mise en oeuvre, allant de la stabilité de la couche active jusqu’à celle de la cellule solaire correspondante. Il a alors été montré qu’en choisissant judicieusement les matériaux de la couche active, les couches interfaciales, l’architecture et l’encapsulation des cellules, il était tout à fait possible d’atteindre des durées de vie supérieures à trois ans sans perte significative de performance électrique des dispositifs. / The commercial application of Organic Solar Cells is limited by their short operational lifetimes. In this context, this work has been devoted to the improvement of both the mechanical resistance of these devices and their chemical stability when exposed to light. Concerning the former, the synthesis of P3HT-b-P(R)SS block copolymers as adhesive materials has been proposed to improve adhesion between the active layer (P3HT:PCBM) and the hole transport layer (PEDOT:PSS) in inverted devices. In order to improve the photochemical resistance of the active layer, the second main objective of this project was to identify both polymer degradation pathways and the properties determining polymer stability. Firstly, analytical techniques and modelling have been employed to identify the weak structural points in model low bandgap polymer, Si-PCPDTBT. Then, a series of polymers with systematically modified backbones and/or alkyl side chains has been studied with the aim of establishing a relationship between chemical structure and stability. Finally, multiscale analysis was undertaken on the degradation of solar cells, going from the stability of separate active layers to that of complete devices. It was shown that judicious selection of device layers, architectures, and encapsulation materials, can lead to operational lifetimes over three years with no efficiency losses.

Une alternative aux énergies fossiles est le domaine du photovoltaïque organique qui a récemment commencé son transfert technologique des laboratoires de recherche vers l’industrie. De nombreux efforts de recherche sont réalisés sur les matériaux et les procédés pour augmenter les performances des cellules solaires organiques. Dans ce contexte, ce travail présente une étude complète allant de la conception de nouveaux polymères donneurs d’électrons à grande largeur de bande interdite à leur caractérisation en dispositifs photovoltaïques. La principale caractéristique recherchée a été de diminuer le niveau énergétique HOMO des polymères pour augmenter la tension en circuit ouvert des dispositifs photovoltaïques. L’approche « donneur-accepteur » a été utilisée pour obtenir les propriétés désirées. Des polymères comportant des unités pauvres en électrons, quinoxaline ou dithienoquinoxaline, et des unités riches en électrons, dibenzosilole ou carbazole, ont été synthétisés par couplage de Suzuki ou par hétéroarylation directe. Des masses molaires allant jusqu’à 56 kg.mol-1 ont été obtenues. Le motif quinoxaline a été décliné sous forme de plusieurs molécules substituées par des atomes de fluor sur le benzène ou par des groupements thiophènes, bithiophènes et terthiophènes sur la partie pyrazine. Des espaceurs thiophènes ou thiazoles ont été utilisés pour relier l’unité riche en électrons et l’unité pauvre en électrons. Les relations entre les modifications structurales et les propriétés structurales et optoélectroniques des polymères ont été analysées. Les propriétés optiques ont été étudiées par spectroscopie UV-visible et par spectroscopie de fluorescence et ont montré une absorption allant jusqu’à 550 nm pour les polymères à motifs dithienoquinoxaline-dibenzosilole, 650 nm pour les polymères à motifs quinoxaline-dibenzosilole et 700 nm pour la famille quinoxaline-carbazole. Ces valeurs correspondent à des largeurs de bande interdite comprises entre 1,8 eV et 2,3 eV. Les niveaux énergétiques HOMO et LUMO des polymères ont été déterminés par électrochimie. Tous les polymères possèdent des niveaux énergétiques HOMO inférieurs à -5,0 eV. Les atomes de fluor et les espaceurs thiazoles ont permis d’abaisser les niveaux énergétiques HOMO des polymères jusqu’à -5,69 eV. Les structures des polymères ont été modélisées par DFT et étudiées par diffraction des rayons X. Les mobilités des trous des polymères ont été mesurées en transistor organique à effet de champ, des valeurs atteignant 9,0. 10 3 cm.V 1.s 1 ont été atteintes. Les polymères ont été testés en dispositifs photovoltaïques selon une architecture standard à hétérojonction volumique en mélange binaire et en mélange ternaire. En mélange avec le PC71BM ou l’IC61BA, ces polymères ont permis d’atteindre des tensions en circuit ouvert entre 0,65 V et 1,05 V et des rendements de conversion photovoltaïque jusqu’à 5,14 % sur une surface active de 0,28 cm2. Les morphologies des couches actives ont été étudiées par AFM afin de comprendre en détail les paramètres de fonctionnement des cellules obtenues. Les polymères présentés dans cette étude ont été utilisés dans des cellules solaires à mélange ternaire présentant de bonnes performances. Certains polymères ont été testés dans des photocathodes pour la production d’hydrogène et ont permis d’obtenir une amélioration du potentiel de réduction par rapport à celui obtenu avec les photocathodes à base de P3HT. Enfin, compte tenu de leurs propriétés optoélectroniques et de leurs performances photovoltaïques certains de ces polymères devraient pouvoir être employés de manière avantageuse en sous cellules de dispositifs tandem en remplacement du P3HT par exemple. / An alternative to fossil fuels are the organic photovoltaic cells which have recently started their technological transfer from research laboratories to industry. Many research efforts have been made on the modification of materials and processes to increase the performance of organic solar cells. In this context, this work presents a comprehensive study from the design of new electron-donor high band gap polymers to their characterisation in photovoltaic devices. The main requirement was to decrease the HOMO energy level of the polymers in order to increase the open circuit voltage of the solar cells. The "push-pull" approach was used to obtain the desired properties. Polymers with quinoxaline or dithienoquinoxaline as electron-deficient units and dibenzosilole or carbazole as electron-rich units were synthesized by Suzuki coupling or by direct heteroarylation. Molecular weights up to 56 kg.mol 1 were obtained. The electron-withdrawing unit quinoxaline was substituted by fluorine atoms on the benzene moiety and by thiophene, bithiophene and terthiophene group on the pyrazine moiety. Thiophenes or thiazoles were used as spacers to link the electron-donating and the electron-withdrawing units. The relationship between the structural modification of the polymers and their optoelectronic properties were analysed. The optical properties were studied by UV-visible spectroscopy and fluorescence spectroscopy. Whereby it appears that polymers with dithienoquinoxaline-dibenzosilole units showed an absorption up to 550 nm and polymers with both quinoxaline-dibenzosilole units and quinoxaline-carbazole units showed an absorption up to 650-700 nm respectively. The corresponding optical band gaps were found to range from 1.8 eV to 2.3 eV. The HOMO and LUMO energy levels of the polymers were determined by electrochemistry. All polymers exhibited HOMO energy levels below -5.0 eV. Fluorine atoms and thiazole spacers significantly lowered the HOMO energy levels of the polymers up to -5.69 eV. DFT was used to model the polymer structures. X-ray diffraction was used to analyse the distances between the polymer chains. Hole mobilities were measured in organic field effect transistors and values of up to 9.0 x 10 3 cm2.V-1.s-1 were obtained. The polymers were tested in organic photovoltaic devices according to a standard bulk heterojunction structure in binary and ternary mixtures. In a blend with PC71BM or IC61BA, these polymers have led to open circuit voltages ranging from 0.65 V to 1.05 V and to power conversion efficiencies of up to 5.14 % on a surface area of 0.28 cm2. The active layer morphologies were studied by AFM. The polymers presented in this work were used in ternary blend solar cells. Some polymers were tested in photocathodes for hydrogen evolution and showed an improvement of the reduction potential compared to that of the photocathodes based on P3HT. Owing to their optoelectronic properties and their photovoltaic properties in standard device configurations, some of the materials developed in this study appear as valuable materials for future developments of organic tandem solar cells.

Les cellules solaires à base de couches minces de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), préparées par co-évaporation, atteignent des rendements de conversion jusqu'à 20%. Le développement de méthodes de synthèse telles que l'électrodépôt devrait permettre d'abaisser les coûts de production. Ce travail présente une étude de l'électrodépôt d'alliages Cu-In-Ga en milieu acide aqueux sur substrat de verre recouvert de molybdène. La sélénisation thermique entre 400°C et 600°C permet de former le CIGS. Après une étude bibliographique sur les méthodes de synthèse de CIGS (chapitre 1), les techniques expérimentales utilisées sont décrites dans le chapitre 2. Le chapitre 3 est consacré à l'étude des conditions d'électrodépôt des alliages Cu-In-Ga, à partir d'une analyse de chimie des solutions, puis d'études dédiées dans les électrolytes élémentaires, binaires et ternaires par voltampérométrie. L'analyse chimique et structurale des dépôts permet de corréler le comportement électrochimique avec la présence de phases particulières, notamment Cu2In, CuIn, In ou CuGa2. Les paramètres contrôlant la composition, la teneur en oxygène, ainsi que la structure des alliages Cu-In-Ga sont déterminés. Le chapitre 4 décrit les traitements thermiques mis au point permettant d'obtenir des absorbeurs compacts de composition souhaitée. La spectroscopie Raman est utilisée pour distinguer les phases : la ségrégation du Ga vers la couche de molybdène est ainsi mise en évidence. Des cellules solaires du type Mo/CIGS/CdS/ZnO sont réalisées, et des rendements de conversion photovoltaïque de 9,8 % sont obtenus, avec présence de phases secondaires appauvries en cuivre dans le matériau.

Les oxydes métalliques sont des matériaux pouvant présenter la double propriété d'avoir une haute conductivité électrique et une bonne transparence dans le domaine du visible. Ils sont appelés « oxydes transparents et conducteurs », TCO. Le plus utilisé de ces matériaux est l'oxyde d'indium dopé étain (ITO). L'indium est un élément rare et cher qui avec la demande croissante de l'industrie des écrans plats en ITO, a vu son prix s'envoler. De nombreuses recherches sont basées sur le besoin de trouver un challenger. Des candidats tels que l'oxyde de zinc ou l'oxyde d'étain s'avèrent prometteurs. Pour déposer ces matériaux en couches minces, différentes techniques peuvent être utilisées. Nous avons choisi une technique appelée Spray-CVD car elle présente l'avantage d'avoir des dépôts de qualités avec la réaction de CVD et la facilité de manipulation des précurseurs avec le spray. Pour résumer, c'est une technique simple et économique. La particularité de cette étude est l'utilisation de lampes infrarouges comme chauffage de notre système. L'association de la technique de Spray-CVD et des lampes infrarouges est unique à notre connaissance. Nous avons appelé l'ensemble : IRASCVD (InfraRed Assisted Spray Chemical Vapor Deposition). Afin de déposer des couches compétitives de TCO avec notre technique, deux stratégies ont été déployées. La première consiste à la réalisation d'un réacteur expérimental de Spray-CVD au sein de notre laboratoire. Des films minces d'oxyde d'étain non dopé et dopé au fluor ont été étudiés ainsi que l'optimisation des paramètres de dépôts. Ces couches ont enfin été utilisées en tant qu'électrodes transparentes pour cellules solaires organiques. L'ensemble de cette étude a permis de valider les dépôts de TCO par IRASCVD. La deuxième partie de l'étude consiste à l'utilisation d'un réacteur R&D basé sur le même principe de Spray-CVD. Ce réacteur a permis le dépôt de films minces d'oxyde de zinc non dopé et dopé aluminium. Une attention particulière a été portée à l'influence des infrarouges sur les propriétés des TCO. Ces dépôts ont été comparés avec ceux réalisés avec un chauffage classique. Cette étude souligne l'impact des infrarouges sur les films minces de TCO.

Parmi les technologies photovoltaïques à base de silicium, les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si (HJ) ont montré une attention croissante en ce qui concerne leur fort potentiel d'amélioration du rendement et de la réduction de coûts. Dans cette thèse, des investigations sur les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si de type (n) développées à l'Institut National de l'Énergie Solaire sont présentées. Les aspects technologiques et physiques du dispositif à HJ ont été revus, en mettant l'accent sur la compréhension du rôle joué par la face arrière. À travers le développement et la mise en œuvre des films de a-Si:H intrinsèques et dopés (n) de haute qualité des cellules solaires à HJ, les conditions requises en face arrière des dispositifs ont été établies. Une comparaison entre plusieurs types de champ surface arrière, avec et sans l'introduction d'une couche buffer, est présentée et les caractéristiques des cellules solaires résultants sont discutées. Une discussion autour du contact arrière de cellules solaires à HJ est aussi présentée. Une nouvelle approche d'oxyde transparent conducteur en face arrière basé sur les couches d'oxyde de zinc dopé au bore (ZnO:B) est étudié. Dans le but de développer des couches de ZnO:B de haute qualité bien adaptées à leur utilisation dans des dispositifs à HJ, différents paramètres de dépôt ainsi que des traitements après dépôt comme le post plasma d'hydrogène ou le recuit laser sont étudiés et leur influence sur des cellules solaires est évaluée. Au cours de ce travail il est montré que la face arrière des cellules solaires à HJ joue un rôle important sur l'accomplissement de hauts rendements. Cependant, l'augmentation de la performance globale du dispositif dû à l'optimisation de la face arrière de la cellule est toujours dépendante des phénomènes ayant lieu en face avant des dispositifs. L'utilisation des films optimisés pour la face arrière des HJs développées dans cette thèse, associée à des couches améliorées pour la face avant et une nouvelle approche de métallisation nous a permis d'atteindre un rendement de conversion record de plus de 22%, démontrant ainsi le grand potentiel de cette technologie à HJ de a-Si:H/c-Si.

Les cellules solaires à colorant (DSC) sont issues de la troisième génération de cellules solaires. Ces systèmes peu onéreux présentent néanmoins des rendements (11-12 %) qui restent à améliorer. De plus les meilleures DSC sont constituées notamment de TiO2 dont la préparation à haute température est un des freins à de nombreuses applications. Le ZnO, synthétisable à basse température et sous de nombreuses morphologies semble être une alternative au TiO2 dans les DSC. L'étude présentée ici a pour but d'augmenter les performances des cellules en optimisant le transport des électrons dans les DSC et en maximisant la récolte de lumière. Pour mieux comprendre la dynamique de transport des électrons dans les DSC, l'influence de la structure des films sur les propriétés de conduction des électrons et sur les performances des cellules a d'abord été étudiée. Cette étude a été menée sur les DSC à base de TiO2 puis de ZnO. Parmi les nombreuses voies de synthèse du ZnO, l'électrodépôt de ZnO en présence d'agent structurant a permis l'obtention de DSC où le transport des électrons était optimisé. La sensibilisation du colorant à la surface du ZnO s'est ensuite révélée être une étape clef dans la préparation des DSC. Son influence sur la quantité de lumière collectée, le taux de recombinaison des électrons, les performances et la durabilité des cellules a été étudiée. De nouvelles voies de confinement de la lumière dans les cellules par rétrodiffusion ont également été recherchées. Finalement, les facteurs limitant les performances des cellules ZnO sont discutés et de nouvelles stratégies d'amélioration sont proposées

La thèse intitulée ≪ Polymères fonctionnalisés avec des chromophores pour des applications en photovoltaïque, photonique et médecine ≫ est structurée en trois chapitres portant sur: a) l'obtention de chromophores et de nouveaux matériaux pour les cellules solaires à base de colorant; b) l'obtention de dérivés de fullerène C60 présentant une absorption élevée; c) l'obtention d'une plateforme permettant la fixation d'une antenne collectrice de lumière PDI-C60 intégrant un groupe fonctionnel libre réactif; d) l'obtention des cristaux photoniques polymères et leur utilisation dans la modification des émissions du colorant et la construction d'hétérostructures complexes intégrant ces colorants. Dans le premier chapitre sont présentés des nouveaux matériaux pour cellules solaires à base de colorant en vue de construire des cellules solaires à l'état solide en utilisant des polymères pour remplacer l'électrolyte liquide. Des stratégies pour améliorer l'efficacité des cellules en utilisant un colorant qui présente une meilleure capacité d'ancrage à la couche de TiO2, et l'utilisation des quantum dots particules pour l'augmentation du taux d'injection d'électrons ont été testées. Dans le deuxième chapitre est présentée l'obtention des nouvelles antennes collectrices de lumière à base de fullerène. Des adduits fullerènes phtalocyanine ont été obtenus et le transfert d'électrons a été prouvé par spectroscopie de fluorescence. Une dyade PDI-C60 a été attachée avec succès sur une chaîne de polymère pour augmenter la processabilité afin d'envisager des applications dans les cellules solaires organiques. Dans le troisième chapitre ont été analysées les propriétés optiques des cristaux photoniques et d'hétérostructures complexes modifiées aves des colorants.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal