Les récents travaux sur l’intégration de polymères organiques dans des composants électroniques ont permis de développer des photodiodes rapides et sensibles, fabriquées sur des substrats souples et de grande surface. Cependant, la stabilité pose un problème majeur pour l’industrialisation de ces composants et contraint à l’utilisation d’une encapsulation coûteuse. Au cours de leur utilisation, les photodiodes sont soumises à de nombreux stress pouvant réduire leur durée de vie: la lumière (UV-visible), l’oxygène, la vapeur d’eau, la température, ou des stress électriques et mécaniques liés à leur utilisation. Ces différents facteurs tendent notamment à détériorer les matériaux qui composent l’empilement des photodiodes, induisant des dégradations de leurs performances électriques. Une compréhension précise des mécanismes physiques et chimiques mis en jeu pour chaque facteur est alors nécessaire pour pouvoir, in fine, améliorer leur stabilité. Cette thèse a pour but de mettre en évidence les mécanismes de dégradations des photodiodes en fonctionnement et s’attache à décorréler les différents facteurs de dégradation. Pour ce faire, différents vieillissements de photodiodes ont été effectués dans le noir et sous illumination dans différentes atmosphères : inerte, air sec et air ambiant. Une analyse des dégradations des figures de mérite, à l’aide notamment de simulations numériques, a permis de formuler des hypothèses permettant d’expliquer les dégradations observées. Enfin, des caractérisations électriques, matériaux et électroniques complémentaires ont pu être effectuées afin de mettre en évidence les mécanismes de dégradation suggérés par la simulation. Une augmentation de la densité de pièges dans la structure, placés à différentes profondeurs selon les vieillissements, a notamment pu être proposée. Ces pièges, induits principalement par l’oxygène, provoquent une diminution du photo-courant ainsi qu’une augmentation de l’injection et de la capacité. / Over the past few years, great improvement has been made in organic, polymer-based devices performances. Unfortunately, problems with their stabilities still persist, constraining the use of costly encapsulations. In operating conditions, photodiodes are exposed to many stresses, reducing their lifetime: light (UV-visible), water, oxygen, temperature, electrical bias or even mechanical stress. These various factors lead to the progressive deterioration of polymers used in devices that induce degradations and performances losses. Hence, unravelling the physics behind the degradation mechanisms is needed in order to improve their stability. Most importantly, it is crucial to understand the role of each factor (such as oxygen, light, water) in degrading the performances of the devices. In this work we aim to decorrelate the influence of the different ageing effects by investigating the impact of environment and light on electrical characteristics of operating photodiodes. For this purpose, different photodiodes ageing have been performed in dark, under light and in different atmospheres such as inert gas, dry air, and ambient air. Scenario could be proposed to explain the degradation based on the analysis of the device figures of merit of the device and numerical simulations. Finally, complementary electrical and chemical characterizations have been performed in order to highlight the degradation mechanisms. We show that oxygen induces traps in the bandgap of the active layer that reduces photocurrent and increases charges injection and capacitance.

For the past few decades, a frenzy of attention has been given towards the development of an assortment of photocatalysts as a solution for various environmental problems. TiO2 is the most widely used photocatalyst. TiO2 is biocompatible, chemically and thermally stable but TiO2 and a vast majority other photocatalysts have large band gaps, and hence they find applicability only in the UV region of the solar spectrum. These large band gap photocatalysts suffer a severe limitation with regard to their overall process efficiency as the UV region contributes to about 3 to 4 % of the solar spectrum in terms of energy. This thesis concentrates on the progress towards the generation of visible light active photocatalysts. Lanthanum transition metal perovskites were synthesized to incorporate B site doping in the following fashion; LaCrxFe1-xO3, LaMnxFe1-xO3 and LaCrxMn1-xO3 (x= {1, 0.25, 0.5, 0.75}). These perovskites configurations were selected as LaCrO3 has a conduction band edge suitable to activate most photocatalytic reactions, but LaCrO3’s large band gap energetically hinders the photocatalysis. Doping LaCrO3 with Fe and Mn allowed for tuning their band gaps and made various photocatalytic reactions feasible, namely CO2 reduction and photoassisted dye degradation. Validation of the perovskite's crystal structure was established through the study of their XRD patterns. The perovskite exhibited crystallinity throughout all doping concentrations. At some doping concentrations, due to low or high degree of tolerance factor, the presence of hexagonal and rhombohedral crystal phases was seen. Analysis of the electronic structure of these perovskites was conducted through diffuse reflectance spectroscopy measurements and electrochemical impedance spectroscopy. Doping transition metals in B site of the perovskite led to the narrowing of band gap energy with the increase in the concentration of the higher atomic number transition metal. About 38% reduction in band gap was achieved in LaCrxFe1-xO3. The band gap constituted of Mott- Hubbard gap and charge transfer gap. For the species LaCrxFe1-xO3, interband states exist with an energy gap as large as 1.3 eV for X=1 and 0.75. These states manifested as Urbach tails and are clearly documented in the absorption spectrum data. At x=0.5 and below, evidence of mixing is seen in LaCrxFe1-xO3, leading to the diminution of these interband states, although not to full extent, their energy was reduced by about 0.5 eV. In LaCrxMn1-xO3 and LaMnxFe1-XO3, the absence of Urbach tail and absorption edge is observed. The band edge positions of most of these perovskites provided a large enough over potential to cause the reduction of CO2. Future efforts on the photocatalytic activity study of these perovskites through dye degradation and CO2 reduction are in progress. Preliminary results of photoassisted dye degradation are shared in this thesis.

Produites sur des substrats de grande dimension grâce aux technologies d'impression, les photodiodes organiques suscitent un intérêt grandissant pour leurs applications prometteuses dans le domaine de l'imagerie médicale, des interfaces hommes-machines et les grands instruments. Ces photodiodes (dont les performances tendent à concurrencer celles en silicium amorphe), présentent de nombreux avantages : simplicité du procédé d'impression, faible coût d'investissement, souplesse du substrat et propriétés d'absorption remarquables des polymères. Toutefois, les performances de ces photodiodes restent encore en deçà de ce que l'on pourrait espérer. Ce travail de thèse a pour but d'étudier une source importante de dégradation des performances de ces photodiodes : les états de gap. En effet, ces états de gap induisent des recombinaisons de type Shockley Read Hall (SRH), donnant lieu sous lumière à des recombinaisons de paire électron trous, et en l'absence de lumière, à une augmentation du courant d'obscurité par génération dite thermique. Dans ce manuscrit, les états de gap et leurs impacts sur les performances des photodiodes organiques ont été tout d'abord étudiés par le biais de simulations numériques. Le rôle prédominant des états de milieu de gap dans les recombinaisons a ainsi été mis en évidence. Par la suite, ces simulations ont été généralisées au cas de distributions de pièges ou « queues de bandes », mettant en évidence le rôle des états profonds d'une part, et des états peu profonds d'autre part. L'étude expérimentale des queues de bande (dont l'origine est probablement le désordre des chaînes de polymères dans l'hétérojonction volumique) a montré que ces queues de bande peuvent être partiellement contrôlées par l'introduction d'un recuit. Un modèle a été développé et a permis de montrer que lorsque les caractéristiques physiques de la morphologie de l'hétérojonction volumique et électriques des queues de bande sont connues et prises en compte, les caractéristiques électro-optiques des photodiodes organiques peuvent être correctement reproduites. Des caractérisations physiques par UPS ont confirmé par ailleurs le rôle joué par la réorganisation des queues de bande au cours du recuit thermique de la couche active dans l'amélioration des performances des photodiodes organiques. Dans le cadre d'une seconde étude, il a été mis en évidence que des pièges profonds chargés (accepteurs ou donneurs) en concentration importante conduisent à une courbure du potentiel électrique entre l'anode et la cathode et donc à une non-uniformité du champ électrique dans la couche active. En conséquence, ces états profonds sont à l'origine d'une dissymétrie du rendement de collection lorsque l'on éclaire ces composants d'un coté ou de l'autre. Différentes voies d'optimisations ont été étudiées afin de réduire leur concentration, ainsi que leur impact sur les performances des photodiodes organiques. / Organic photodiodes are nowadays of growing interests as they are able to address promising applications such as human-machine interfaces, medical and large area sensors. Organic photodiodes are made on large plastic substrate using different printing techniques. Intensive research have been made on this field as it offers many advantages with respect to amorphous silicon: ease of process, low cost fabrication process, flexible substrate and competitive polymer absorption properties. However, organic photodiode performances are still lower than the expected characteristics. The objective of this work is to study gap states which are responsible for major source of electrical losses in these devices. Indeed gap states are sources of Shockley Read Hall type recombinations which lead to the recombination of electron hole pairs under light condition and the generation of thermal current under dark condition. First, gap states and their impact on organic photodiode performances are studied using numerical simulations. Based on these simulations, results determined that the mid gap states are the most efficient trap states among the distribution of states inside the gap. Then, this study was applied to band tail states which originate from the polymer chains disorder inside the bulk heterojunction. An experimental investigation highlights the energetic reorganization of band tail states when a thermal annealing step is introduced. A model is derived from these characterizations and demonstrated that when the physical parameters of the bulk heterojunction morphology and the band tail states characteristics are taken into account, electro-optical performances can be well reproduced by this model. On the other hand, UPS measurement confirmed the key role played by the energetic reorganization of these band tail states during the annealing treatment in the active layer on the photodiode performances improvement. A second study concerns the charged deep gap states (donor or accepteor). In sufficient concentration, these deep gap states can lead to the electrical potential bending between the anode and the cathode and so to a non-uniformity of the electric field inside the active layer. As consequences, these gap states induce a dissymmetry of collection efficiency depending of the illumination side. Different optimization paths are studied in order to reduce their concentration and their detrimental impact on the organic photodiode performances.

Der Einfluss der Modifikation der technologisch relevanten GaAs(100) Oberfläche durch Chalkogene, i.e. Selen, Schwefel und Tellur, wird in dieser Arbeit untersucht. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Eigenschaften der modifizierten Oberfläche beschreibt. In einem zweiten Schritt werden die so modifizierten Oberflächen mit Metallen unterschiedlicher Reaktivität und verschiedenen Elektronegativitäten bedampft. Die Bandbreite dieser Eigenschaften wird durch die Metalle Indium und Silber, das Alkalimetall Natrium, das Erdalkalimetall Magnesium und das Halbmetall Antimon abgebildet. Die Untersuchung des Einflusses der Chalkogene auf die chemischen Eigenschaften und die Barrierenhöhe der Metall/GaAs(100) Grenzfläche bilden einen weiteren Schwerpunkt. Die Änderung der Barrierenhöhe wird dabei mit Hilfe des Modells metallinduzierter Bandlückenzustände (metal induced gap states) erklärt. Als experimentelle Techniken werden Photoemissionsspektroskopie, Raman Spektroskopie und Strom-Spannungsmessungen verwendet. / The influence of a modification of the technological relevant GaAs(100) surface by chalcogens, i.e. selenium, sulphur and tellurium, is evaluated in this work. A model is proposed, which describes the properties of the modified surface. In a second step metals of different reactivity and electronegativity have been evaporated onto these modified surfaces. Among these materials were the metals indium and silver, the alkali metal sodium, the earth alkali metal magnesium and the half metal antimony. The investigation of the influence of chalcogens on the chemical properties and the barrier height of the metal/GaAs(100) interface is another point of interest. The change in barrier height is explained by the model of metal induced gap states (MIGS). Photoemission spectroscopy, Raman spectroscopy and current-voltage-measurement have been used as experimental techniques.

Der Einfluss der Modifikation der technologisch relevanten GaAs(100) Oberfläche durch Chalkogene, i.e. Selen, Schwefel und Tellur, wird in dieser Arbeit untersucht. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Eigenschaften der modifizierten Oberfläche beschreibt. In einem zweiten Schritt werden die so modifizierten Oberflächen mit Metallen unterschiedlicher Reaktivität und verschiedenen Elektronegativitäten bedampft. Die Bandbreite dieser Eigenschaften wird durch die Metalle Indium und Silber, das Alkalimetall Natrium, das Erdalkalimetall Magnesium und das Halbmetall Antimon abgebildet. Die Untersuchung des Einflusses der Chalkogene auf die chemischen Eigenschaften und die Barrierenhöhe der Metall/GaAs(100) Grenzfläche bilden einen weiteren Schwerpunkt. Die Änderung der Barrierenhöhe wird dabei mit Hilfe des Modells metallinduzierter Bandlückenzustände (metal induced gap states) erklärt. Als experimentelle Techniken werden Photoemissionsspektroskopie, Raman Spektroskopie und Strom-Spannungsmessungen verwendet. / The influence of a modification of the technological relevant GaAs(100) surface by chalcogens, i.e. selenium, sulphur and tellurium, is evaluated in this work. A model is proposed, which describes the properties of the modified surface. In a second step metals of different reactivity and electronegativity have been evaporated onto these modified surfaces. Among these materials were the metals indium and silver, the alkali metal sodium, the earth alkali metal magnesium and the half metal antimony. The investigation of the influence of chalcogens on the chemical properties and the barrier height of the metal/GaAs(100) interface is another point of interest. The change in barrier height is explained by the model of metal induced gap states (MIGS). Photoemission spectroscopy, Raman spectroscopy and current-voltage-measurement have been used as experimental techniques.

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