Le principal objectif de ce travail de thèse était d'imaginer, de synthétiser et de caractériser de nouveaux chromophores "push-pull" pour finalement évaluer leurs propriétés photovoltaïques en cellules solaires à colorant. Deux approches distinctes ont été développées : i) la première consiste en l'élaboration de chromophores tout-organiques de type " push-pull " basés sur un motif électro-donneur carbazole à potentiel d'oxydation élevé. Ces nouveaux colorants ont été conçus dans le but d'être utilisés avec des électrolytes à potentiel standard supérieur à celui du couple rédox I-/I3- ; ii) la seconde approche est basée sur un nouveau concept de chromophores organométalliques de type ruthénium-acétylure. Ces chromophores ont été développés dans le but de combiner à la fois les propriétés avantageuses d'une structure de type " push-pull " et les transferts de charges (MLCT) impliquant le motif [Ru(dppe)2], également connu pour constituer un excellent relai électronique.

Ce projet a pour objectif de développer un nouveau système solaire gonflable et portable qui facilitera les sports aquatiques en eau froide sur la période avril-octobre de l'année. En permettant la nage et le bronzage, ce projet peut bonifier considérablement le tourisme sur les côtes marines et sur les lacs. Le bateau solaire est muni de panneaux photovoltaïques. L'énergie ainsi recueillie dans la batterie marine joue un rôle dans la propulsion à l'aide du moteur électrique et dans le système de pompage, qui achemine de l'eau chaude à l'intérieur de l' habit hermétique pour nager en eau froide. Sur cet habit ont eu lieu des tests de performance validés par la comparaison des résultats expérimentaux avec les calculs théoriques.

Le principal objectif de ce travail de thèse était d’imaginer, de synthétiser et de caractériser de nouveaux chromophores «push-pull» pour finalement évaluer leurs propriétés photovoltaïques en cellules solaires à colorant. Deux approches distinctes ont été développées : i) la première consiste en l’élaboration de chromophores tout-organiques de type « push-pull » basés sur un motif électro-donneur carbazole à potentiel d’oxydation élevé. Ces nouveaux colorants ont été conçus dans le but d’être utilisés avec des électrolytes à potentiel standard supérieur à celui du couple rédox I-/I3- ; ii) la seconde approche est basée sur un nouveau concept de chromophores organométalliques de type ruthénium-acétylure. Ces chromophores ont été développés dans le but de combiner à la fois les propriétés avantageuses d’une structure de type « push-pull » et les transferts de charges (MLCT) impliquant le motif [Ru(dppe)2], également connu pour constituer un excellent relai électronique. / The aim of this PhD research work was to design, synthesize and characterize new push-pull chromophores and finally to determine their photovoltaic properties in dye-sensitized solar cells. Two different approaches were developed: i) the first one consists in the preparation of metal-free organic push-pull chromophores based on a carbazole electron-donor part presenting high oxidation potential. These new chromophores were designed in view of being used with electrolytes showing standard potential superior to that of I-/I3-; redox couple ii) the second approach is based on a new concept of ruthenium-diacetylide organometallic complex dyes. These chromophores were developed in order to combine the advantageous properties of a push-pull structure and the charge transfer processes (MLCT) due to the [Ru(dppe)2] metal fragment, also known as an excellent electron relay.

Ce travail porte sur l'élaboration et la caractérisation de cellules solaires organiques à base de nouvelles classes de matériaux donneurs dérivés de petites molécules solubles. Une première phase de ce travail a été consacrée à l'étude des cellules de type hétérojonction volumique à base de poly(3-hexylthiophène) et d'un dérivé soluble du fullerène C60, le PCBM. Le nombre considérable de travaux déjà publiés sur ces dispositifs en ont fait un système modèle particulièrement approprié à l'étude des différents paramètres expérimentaux impliqués dans la fabrication de ce type de cellules et à leur optimisation. Les protocoles expérimentaux définis sur la base de ces études ont été ensuite appliquées à l'évaluation de deux nouvelles classes de donneurs moléculaires à base du dicétopyrrolopyrrole (DPP) et de dipyrrométhène de bore (BODIPY). Les travaux sur les donneurs dérivés du DPP ont porté sur la réalisation de différentes séries de cellules solaires à hétérojonction planaire et volumique et les résultats obtenus ont permis à la fois d'atteindre des performances intéressantes et de progresser dans la compréhension des relations structure-propriétés dans cette famille de donneurs moléculaires. La dernière partie de ce travail concerne la réalisation et l'étude de cellules solaires à partir d'une classe originale de donneurs moléculaires dérivés du BODIPY. La caractérisation des propriétés électroniques de différentes familles de bodipys ainsi que la fabrication et l'étude de plusieurs séries de cellules solaires ont conduit à des avancées importantes et des rendements parmi les plus élevés obtenus jusqu'à présent sur des BHJ moléculaires à base d'accepteur dérivé du C60 ont été obtenus. Par ailleurs ces travaux ont permis de mettre pour la première fois en évidence des effets coopératifs dans des BHJ moléculaires utilisant des donneurs multiples.

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 sujet de cette thèse porte sur l’élaboration du nouveau nanomatériau par la gravure électrochimique bipolaire (BEE) — le Ge mésoporeux et sur l’analyse de ses propriétés physico-chimiques en vue de son utilisation dans des applications photovoltaïques. La formation du Ge mésoporeux par gravure électrochimique a été précédemment rapportée dans la littérature. Cependant, le verrou technologique important des procédés de fabrication existants consistait à obtenir des couches épaisses (supérieure à 500 nm) du Ge mésoporeux à la morphologie parfaitement contrôlée. En effet, la caractérisation physico-chimique des couches minces est beaucoup plus compliquée et le nombre de leurs applications possibles est fortement limité. Nous avons développé un modèle électrochimique qui décrit les mécanismes principaux de formation des pores ce qui nous a permis de réaliser des structures épaisses du Ge mésoporeux (jusqu’au 10 um) ayant la porosité ajustable dans une large gamme de 15% à 60%. En plus, la formation des nanostructures poreuses aux morphologies variables et bien contrôlées est désormais devenue possible. Enfin, la maitrise de tous ces paramètres a ouvert la voie extrêmement prometteuse vers la réalisation des structures poreuses à multi-couches à base de Ge pour des nombreuses applications innovantes et multidisciplinaires grâce à la flexibilité technologique actuelle atteinte. En particulier, dans le cadre de cette thèse, les couches du Ge mesoporeux ont été optimisées dans le but de réaliser le procédé de transfert de couches minces d’une cellule solaire à triple jonctions via une couche sacrificielle en Ge poreux. / The subject of this thesis is the development of the new nanomaterial by bipolar electrochemical etching (BEE) - the mesoporous Ge and analysis of its physico-chemical properties for use in photovoltaic applications. The formation of mesoporous Ge by electrochemical etching has been previously reported in the literature. However, the important technological barrier of existing manufacturing processes was to obtain thick layers (above 500 nm) of the mesoporous Ge with perfectly controlled morphology. Indeed, the physico-chemical characterization of thin layers is much more complicated and the number of possible applications is very limited. We have developed an electrochemical model that describes the main mechanisms of formation of pores which allowed us to produce thick mesoporous structures of Ge (up to 10 um) with adjustable porosity in a range of 15% to 60% . In addition, the formation of porous nanostructures with well-controlled variable morphologies has now become possible. Finally, the mastery of these parametres has opened the extremely promising path towards the realization of porous multilayer structures based on Ge for many innovative and multidisciplinary applications. In particular, in the context of this thesis, the mesoporous layers of Ge were optimized for the purpose of performing a layer transfer process of a triple-junction solar cell via a sacrificial layer of porous Ge.