Ce travail a consisté à élaborer de nouveaux verres moléculaires transporteurs de trou dérivés du carbazole pour remplacer le spiro-OMeTAD (matériau de référence) dans les cellules solaires hybrides à colorant tout solide. Nous avons synthétisé différents dérivés du carbazole 3, 6, 9 substitués, établi leurs principales propriétés physico-chimiques et les avons utilisés en DSSC solide. Nous avons mis en évidence l'intérêt de greffer des groupements bis(4-méthoxyphényl)amines en positions 3, 6 et des aryles en position 9 du carbazole pour obtenir des matériaux performants. Finalement, cette structure type établie a permis de développer un concept innovant de synthèse de dérivés de carbazole ouvrant la voie à l'élaboration d'une large famille de verres moléculaires et permettant la préparation aisée de structures complexes performantes dans les DSSC solide. Nos meilleurs matériaux ont donné, en dispositifs sans optimisation, des performances comparables à celles du spiro-OMeTAD permettant d'entrevoir à terme la préparation de dispositifs à sensibilisateur pérovskite de rendements supérieurs à 15% / The aim ot this work has been to prepare new hole transporting molecular glasses based on carbazole moieties as an alternative to spiro-OMeTAD (standard material) in solid state dye sentitized solar cells (ssDSSC). We have synthesized several 3, 6, 9 substituted carbazole derivatives and have established their physical and chemical properties prior using them in photovoltaic devices. We have demonstrated the interest of grafting functional groups as bis(4-methoxyphenyl)amines on 3, 6 positions and aryl substitutes on the 9 position of carbazole to obtain efficient materials. Finally, this latter chemical structure has been used as a building block to develop an innovative concept of synthesis of carbazole based materials, smoothing the way to easy synthesis of a wide family of efficient molecular glasses for ssDSSC. Our best materials exhibit similar power conversion efficiency compare to the standard spiro-OMeTAD. According to these preliminary results, we expect reaching power conversion efficiencies over 15% with our carbazole based hole transporting materials associated with peroskite sensitizer.

Les propriétés des matériaux moléculaires proviennent à la fois de la structure des composantes individuelles et de la façon dont elles s’associent. Ce dernier aspect reste difficile à contrôler, malgré de grandes avancées en science des matériaux. Pour mieux comprendre la relation structure-propriétés, nous avons entrepris une étude systématique de l'hexaphénylbenzène et de ses dérivés, qui offrent une charpente symétrique et rigide. En premier lieu, nous avons attaché six groupements diaminotriazinyles sur l’hexaphénylbenzène afin de produire des réseaux tridimensionnels hautement poreux maintenus par des ponts hydrogène. En modifiant systématiquement le coeur moléculaire, nous avons excisé près du tiers de la molécule-mère, générant des réseaux supramoléculaires dont la porosité s’est élevée graduellement jusqu’à 75%, équivalant ainsi le record pour ce type de matériaux. Ensuite, nous avons étudié le comportement de l’hexakis(4-nitrophényl)benzène. Dans les structures cristallines obtenues, des interactions non-covalentes entre groupements nitro démontrent leur potentiel en chimie supramoléculaire. Le coeur moléculaire ne joue qu’un rôle secondaire dans l’empilement des molécules : seules quelques interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène sont évidentes. Cette dernière observation nous a poussés à étudier le comportement à l’état cristallin de l’hexaphénylbenzène et ses dérivés. En scrutant attentivement neuf structures cristallines de ces composés, nous avons décerné la présence récurrente d’interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central. Cette association caractéristique a été exploitée pour créer des réseaux supramoléculaires maintenus par des interactions C-H•••π sélectives entre un groupement éthynyle et le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène. Finalement, nous avons joint le côté sombre de l’ingénierie cristalline en utilisant nos connaissances dans le but d’empêcher la formation d’interactions directionnelles. En protégeant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène à l’aide de groupements alkyles, les interactions C-H•••π ont été pratiquement éliminées. Ces résultats offrent la possibilité de créer de nouveaux matériaux amorphes. Dans ces études, focalisées sur le système hexaphénylbenzène, nous avons mis en relief des phénomènes qui sont obscurcis dans d'autres familles de molécules. De plus, ce système a grandement facilité l’utilisation d’une approche méthodique pour explorer la relation structure-propriétés. Nos travaux nous ont amenés à des conclusions de valeur universelle en science des matériaux moléculaires. / The properties of molecular materials depend on the identity of individual components and on their organization. Unfortunately, it remains difficult to control molecular organization, despite advances in materials science. To better understand the relationship between molecular structure and collective properties, we undertook a systematic study of hexaphenylbenzene and its derivatives, which possess a rigid symmetric framework. Our first study focused on using hydrogen bonds to control self-assembly in the solid state. By installing six diaminotriazinyl groups on a hexaphenylbenzene core, we predictably obtained highly porous three-dimensional hydrogen-bonded networks. Through systematic structural modifications of the molecular core, we excised nearly a third of the parent molecule, and the porosity of the networks gradually increased, matching the record of 75% previously obtained for this type of material. We then turned to weaker interactions to control organization, as revealed by the packing of hexakis(4-nitrophenyl)benzene. In the crystal structures analyzed, non-covalent interactions between nitro groups were observed, demonstrating their potential in supramolecular chemistry. Careful examination of the structures showed that the hexaphenylbenzene moieties play only a secondary role in determining the overall packing; however, C-H•••π interactions involving the central aromatic ring of hexaphenylbenzene were also observed. To further document this unexpected behavior, we analyzed nine crystal structures of hexaphenylbenzene and derivatives, which showed that a C-H•••π recognition pattern involving the central aromatic ring occurs consistently throughout the series. This motif was used to prepare supramolecular networks based exclusively on selective and directional C-H•••π interactions involving ethynyl groups and the central aromatic ring of hexaphenylbenzene. Finally, we joined the dark side of crystal engineering by using our knowledge of supramolecular chemistry to prevent the formation of directional interactions. By installing alkyl groups near the central aromatic ring of hexaphenylbenzene, C-H•••π interactions were practically eliminated. These results were then used to devise new amorphous materials. The hexaphenylbenzene system permitted a methodical analysis of structure-property relationships in molecular materials. This particular system exposed phenomena normally obscured in other families of molecules, and our analysis of its behavior has yielded conclusions of universal value in materials science.

Les propriétés des matériaux moléculaires proviennent à la fois de la structure des composantes individuelles et de la façon dont elles s’associent. Ce dernier aspect reste difficile à contrôler, malgré de grandes avancées en science des matériaux. Pour mieux comprendre la relation structure-propriétés, nous avons entrepris une étude systématique de l'hexaphénylbenzène et de ses dérivés, qui offrent une charpente symétrique et rigide. En premier lieu, nous avons attaché six groupements diaminotriazinyles sur l’hexaphénylbenzène afin de produire des réseaux tridimensionnels hautement poreux maintenus par des ponts hydrogène. En modifiant systématiquement le coeur moléculaire, nous avons excisé près du tiers de la molécule-mère, générant des réseaux supramoléculaires dont la porosité s’est élevée graduellement jusqu’à 75%, équivalant ainsi le record pour ce type de matériaux. Ensuite, nous avons étudié le comportement de l’hexakis(4-nitrophényl)benzène. Dans les structures cristallines obtenues, des interactions non-covalentes entre groupements nitro démontrent leur potentiel en chimie supramoléculaire. Le coeur moléculaire ne joue qu’un rôle secondaire dans l’empilement des molécules : seules quelques interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène sont évidentes. Cette dernière observation nous a poussés à étudier le comportement à l’état cristallin de l’hexaphénylbenzène et ses dérivés. En scrutant attentivement neuf structures cristallines de ces composés, nous avons décerné la présence récurrente d’interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central. Cette association caractéristique a été exploitée pour créer des réseaux supramoléculaires maintenus par des interactions C-H•••π sélectives entre un groupement éthynyle et le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène. Finalement, nous avons joint le côté sombre de l’ingénierie cristalline en utilisant nos connaissances dans le but d’empêcher la formation d’interactions directionnelles. En protégeant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène à l’aide de groupements alkyles, les interactions C-H•••π ont été pratiquement éliminées. Ces résultats offrent la possibilité de créer de nouveaux matériaux amorphes. Dans ces études, focalisées sur le système hexaphénylbenzène, nous avons mis en relief des phénomènes qui sont obscurcis dans d'autres familles de molécules. De plus, ce système a grandement facilité l’utilisation d’une approche méthodique pour explorer la relation structure-propriétés. Nos travaux nous ont amenés à des conclusions de valeur universelle en science des matériaux moléculaires. / The properties of molecular materials depend on the identity of individual components and on their organization. Unfortunately, it remains difficult to control molecular organization, despite advances in materials science. To better understand the relationship between molecular structure and collective properties, we undertook a systematic study of hexaphenylbenzene and its derivatives, which possess a rigid symmetric framework. Our first study focused on using hydrogen bonds to control self-assembly in the solid state. By installing six diaminotriazinyl groups on a hexaphenylbenzene core, we predictably obtained highly porous three-dimensional hydrogen-bonded networks. Through systematic structural modifications of the molecular core, we excised nearly a third of the parent molecule, and the porosity of the networks gradually increased, matching the record of 75% previously obtained for this type of material. We then turned to weaker interactions to control organization, as revealed by the packing of hexakis(4-nitrophenyl)benzene. In the crystal structures analyzed, non-covalent interactions between nitro groups were observed, demonstrating their potential in supramolecular chemistry. Careful examination of the structures showed that the hexaphenylbenzene moieties play only a secondary role in determining the overall packing; however, C-H•••π interactions involving the central aromatic ring of hexaphenylbenzene were also observed. To further document this unexpected behavior, we analyzed nine crystal structures of hexaphenylbenzene and derivatives, which showed that a C-H•••π recognition pattern involving the central aromatic ring occurs consistently throughout the series. This motif was used to prepare supramolecular networks based exclusively on selective and directional C-H•••π interactions involving ethynyl groups and the central aromatic ring of hexaphenylbenzene. Finally, we joined the dark side of crystal engineering by using our knowledge of supramolecular chemistry to prevent the formation of directional interactions. By installing alkyl groups near the central aromatic ring of hexaphenylbenzene, C-H•••π interactions were practically eliminated. These results were then used to devise new amorphous materials. The hexaphenylbenzene system permitted a methodical analysis of structure-property relationships in molecular materials. This particular system exposed phenomena normally obscured in other families of molecules, and our analysis of its behavior has yielded conclusions of universal value in materials science.

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.