Les cellules photovoltaïques hybrides sensibilisées « tout solide » (ssDSSC) sont considéréescomme une technologie émergente dans le domaine de l'énergie solaire afin de remplacer les cellules solaires classiques basées sur le silicium ou même celles utilisant un électrolyte liquide(DSSC). Dans ce but, nous nous sommes intéressés à l'élaboration de molécules p-conjuguées (verresmoléculaires) de type « p » pour une application dans les ssDSSCs.Le premier axe de cette étude a consisté à synthétiser deux familles de molécules à base detriphénylamine/thiéno[3,2-b]thiophène/ thiophène (avec et sans chaîne nonyle pour déterminerl'effet de la solubilité). Ces composés ont été obtenus par des couplages de Stille ou Suzuki avec des rendements globaux variant entre 11% et 37% (pour six à dix étapes).Dans le but de déterminer les propriétés physico-chimiques des composés obtenus, lesecond axe a été consacré aux caractérisations thermiques, optiques et électroniques des moléculessynthétisées. Les mesures thermiques par analyse thermogravimétrique (ATG) ont montré unestabilité des composés supérieure à 340°C. En outre, l'analyse thermique différentielle (DSC) apermis de déterminer la température de transition vitreuse (Tg), la plus élevée atteignant 57°C. Lesgaps optique et électronique ont été déterminés par absorption UV-Visible (entre 2,87eV à 2,41eV enfilm) ou voltampérométrie cyclique (entre 3,26eV à 2,60eV). Les niveaux énergétiques de la HOMO etLUMO ont également été déterminés par voltampérométrie cyclique. Ils ont montré des niveauxadéquats surtout pour celui de la HOMO (compris entre la HOMO du colorant et celle de la cathode)pour une application photovoltaïque. Enfin, les mesures de mobilité de trous ont mis en évidence desrésultats encourageants et prometteurs variant entre 10-3 cm2.V-1.s-1 et 1 cm2.V-1.s-1.Le troisième axe est consacré à l'étude théorique de ces molécules à l'aide de la modélisationmoléculaire. Les tendances obtenues pour les niveaux énergétiques (HOMO et LUMO), les gaps optiques, l'énergie de réorganisation interne (donnant une idée de la mobilité théorique de charges)recoupent assez bien les données expérimentales.Finalement, le dernier axe porte sur la détermination des performances photovoltaïques de ces composés. Pour l'un d'eux une efficacité de 0,5% a été obtenue sans optimisation et de manièredurable puisque cette efficacité reste inchangée après une année. Le taux de remplissage de cecomposé dans TiO2 atteint de 62 à 83%.Mots clés : Dispositifs photovoltaïques hybrides « tout solide » ssDSSC, triphénylamine, thiéno[3,2-b]thiophène, thiophène, verre moléculaire, modélisation moléculaire, taux de remplissage. / Solid state dye-sensitized solar cells (ssDSSC) are considered as an emerging technology in order to replace conventional silicon solar cells or even those using liquid electrolyte. In order to improve the performance of ssDSSC devices, we were interested by the development of star-shaped molecules derived from thieno[3,2-b]thiophene unit and triphenylamine core.Two series of new substituted triphenylamine (TPA) derivatives with thiophene and thieno[3,2-b]thiophene units (with and without nonyl group C9H19) were synthesized in a combinatorial manner. These compounds were obtained by Stille or Suzuki coupling with a yield between 11% and 37% (from six to ten steps).In order to determine the properties of these compounds, thermal, optical and electrochemical characterizations were carried out. The measurements by thermogravimetric analysis (TGA) showed a high stability of the compounds above 340°C. Differential thermal analysis (DSC) was used to determine the glass transition temperature (Tg) where the highest reaching 57°C. The optical and electronic gaps were determined by UV-Visible absorption ( we found from 2.87 eV to 2.41 eV in film) or cyclic voltammetry (we found from 3.26 eV to 2.60 eV). The energy levels of HOMO and LUMO were also determined by cyclic voltammetry. They showed adequate levels especially for HOMO levels (ideally HOMO between the dye and that of the cathode) for a photovoltaic application. Finally, hole mobility have shown encouraging results and promising ranging from 10-3 cm2.V-1.s-1 and 1 cm2.V-1.s-1.The theoretical study of these molecules was also carried out using molecular modeling as B3LYP. The energy levels (HOMO and LUMO), the optical gaps, and the energy of internal reorganization (giving an idea of the theoretical charges mobility) have the seam trend overlap the experimental data.The photovoltaic performance of these compounds was performed. An efficiency of 0.5% (not optimized results) has been obtained for the best of them. This efficiency was sustainable after one year. The pore filling ratio of this compound in TiO2 reached from 62 to 83%.Keywords : Solid state dye-sensitized solar cells (ssDSSC), triphenylamine, thieno[3,2-b]thiophene, thiophene, molecular glasses, theoretical calculations, pore filling.

1 Abstract Diamond is a unique material for its physical and chemical stability. However, many advance applications rely on surface functionalisation. Here, two types of diamond were modified on the surface - thin layer of chemical vapor deposition (CVD) and nanodiamond particles (NDs) high pressure and high temperature (HPHT). The aim of CVD surface modification was to prepare photosensitised, conductive, diamond electrodes for dye sensitized solar cells (DSSC). For this purpose, a thin diamond layer doped with boron was deposited on the silicon wafer. Boron doping provided p-type (semi)conductivity to diamonds. The surface of the diamond was hydrogenated with H-plasma, and a short carbon linker with a protected amino group was UV-photografted to the surface. In another study, a photoconverting dye (P1) was covalently attached to the amine-linker. Furthermore, a dye designed based on donor-π-acceptor (D-π-A) concepts was attached to the surface. Finally, a systematic study was done for differently conductive diamond layer and the underlying silicon wafer These experiments gradually lead to the highest ever reported photocurrents of 6.6 µA cm2 for a flat photosensitised boron-doped-diamond (BDD) electrode. Monomolecular layer surface functionalizations on CVD diamond are difficult to detect or even quantify...

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse. / This research project carried out in industrial collaboration with Saint-Jean Photochemicals Inc. / PCAS Canada aims at the development and characterization of dipyrromethene derivatives for photovoltaic applications. The quest for harvesting near- infrared photons was the central focus and various structural modifications were explored to improve the power conversion efficiency of organic and dye-sensitized solar cells (OPV and DSSC, respectively). Three families of chromophores which embedded a dipyrromethene motif were synthesized and characterized through spectroscopy, electrochemistry, X-ray diffraction and computationnal modelization in order to establish their structure-properties relationship. The first family includes six azadipyrromethenes with potential for tetradentate coordination on metallic centers. The development of a new asymmetric synthetic route together with the classical symmetric one allowed access to all possible combinations of derivatives including 2-hydroxyphenyl, 2-methoxyphenyl and 2-pyridyl substituents in the proximal position of the dipyrromethene. Modulation of the absorption maxima in the red ranged between 598 and 619 nm. Also, having methoxy or hydroxy substituents provided an increase of the violet absorption (~410 nm) as established by modelization. Electrochemical characterization showed that the tetradentate azadipyrromethenes were generally less stable towards redox processes as compared to their bidentate counter- parts. The second family includes ten asymmetric benzo[b]-fused BODIPYs where the proximal aryl was systematically modified in order to assess the impact of electron-rich substituents and fused aromatic cycles. The derivatives were further compared to a wide series of related BODIPYs. Empirical results showed the optoelectronic properties are dictated by the extend of electronic communication between the proximal aryl, the pyrrol to which it is attached and the adjacent indolic moiety. Absorption maxima in the red were modulated between 547 nm and 628 nm and the fluorescence was in the near-infrared. One compound proved to be a potential candidate for photovoltaic and pH probe applications. The third family includes five neutral RuII polypyridine complexes bearing a cyclometalated azadipyrromethene ligand. The compounds exhibit strong light absorption in the 600 – 800 nm range (red to near-infrared) that tails beyond 1100 nm in the terpyridine-based adducts. Analysis of the optoelectronic properties showed a significant impact of this novel cyclometalation strategy for dipyrromethene derivatives and paved the way for further incorporation of the resulting complexes as photosensitizers in OPV and DSSC. In collaboration with the group of Pr Gerald J. Meyer at the University of North Carolina at Chapel Hill, the capacity of one compound to photo-inject its electron into the conduction band of the TiO2 semiconductor was established, a first step towards their use in dye-sensitized solar cells. The structural instability in solution of the complexes hindered their full potential for photovoltaic applications and suggestions to improve them are proposed based on the knowledge acquired in the course of this thesis.