Les polymères conjugués semi-conducteurs sont des matériaux prometteurs pour des applications en optoélectronique et pour la fabrication de dispositifs de conversion d'énergie flexibles. Ils sont toutefois difficilement mis en forme en raison de la rigidité de leur structure. Le poly(3-hexylthiophène) (P3HT) est souvent utilisé comme polymère conjugué organique modèle. Sa mise en forme et ses propriétés peuvent être optimisées en l'incorporant dans une matrice polymère et en favorisant l’orientation moléculaire de ses chaînes. Cette orientation peut être induite dans un matériau lors de sa mise en forme, notamment lors de la préparation de fibres par électrofilage. Le projet vise à préparer des matériaux optimisant l'orientation du P3HT et à développer des outils pour caractériser l'organisation moléculaire du P3HT dans ces matériaux. Plus spécifiquement, la première étude consiste à comprendre l'effet de la matrice polymère sur le comportement du P3HT dans des nanofibres électrofilées. Celles-ci sont préparées en mélangeant le P3HT à une matrice polymère amorphe de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) atactique ou fortement cristalline de poly(oxyde d'éthylène) (POE), et l’orientation des chaînes de P3HT est mesurée par spectroscopie Raman. Les résultats montrent que la capacité du POE à cristalliser, contrairement au PMMA, contraint les chaînes du P3HT à s'orienter le long de l’axe de la fibre, ce qui devrait améliorer ses propriétés de transport de charge. La calorimétrie différentielle à balayage et la microscopie optique et électronique à balayage permettent respectivement d'analyser les propriétés thermiques et d'imager la morphologie des nanomatériaux. La seconde étude est de développer une approche pour identifier la transition vitreuse du P3HT dans des nanofibres électrofilées et des impressions 3D composées d’un mélange P3HT-POE. Nous suivons alors l'évolution de l’état d'agrégation du P3HT par spectroscopie de fluorescence et le déplacement de sa bande Raman associée au mode d’élongation C=C sur une gamme de températures afin d'observer sa transition de phase vitreuse à l'échelle du nanoobjet individuel. Une preuve de concept est réalisée par des analyses sur des films minces à base de P3HT pour ensuite analyser les échantillons d’intérêt. Les résultats de spectroscopie Raman et de fluorescence sur les nanomatériaux de P3HT sont comparés aux analyses DSC sur les matériaux macroscopiques. Le projet améliorera d'une part notre capacité à caractériser les nanomatériaux de P3HT et, d'autre part, à en optimiser les propriétés. De manière plus générale, nos résultats conduiront à terme à une meilleure compréhension des relations structure-mise en forme-propriété-fonction des polymères conjugués, contribuant à la préparation de nouveaux matériaux électroniques organiques plus performants. / Conjugated polymers are promising semiconducting materials for applications in flexible optoelectronic and energy conversion devices. However, they are difficult to process because of the rigidity of their polymer backbone. Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) is often used as a model organic conjugated polymer. Its processing and its properties can be improved by incorporating it into a polymer matrix and by favoring the molecular orientation of its chains. This orientation can be induced in a material during its processing, notably during the preparation of fibers by electrospinning. The project aims to prepare materials optimizing the orientation of P3HT and to develop tools to characterize the molecular organization of P3HT in these materials. More specifically, the first study consists of understanding the effect of the polymer matrix on the behaviour of P3HT in electrospun nanofibers. These nanofibers are prepared by mixing P3HT with an amorphous atactic poly(methyl methacrylate) (PMMA) or highly crystalline poly(ethylene oxide) (PEO) polymer matrix, and the orientation of the P3HT chains is measured by Raman spectroscopy. The results show that the capability of POE to crystallize, unlike PMMA, constrains the chains of P3HT to orient themselves along the fiber axis, which could improve its charge transport properties. Differential scanning calorimetry and optical and scanning electron microscopy make it possible, respectively, to analyze the thermal properties and to image the morphology of the nanomaterials. The second study is to develop an approach to identify the glass transition temperature of P3HT in electrospun nanofibers and 3D prints composed of a P3HT-PEO blend. We then follow the evolution of the aggregation state of P3HT by fluorescence spectroscopy and the shift of the Raman band associated with the C=C elongation mode over a range of temperatures to observe its glass transition temperature at the scale of the individual nanoobject. A proof of concept is first realized by carrying out analyses on thin films based on P3HT, followed by the analysis of the samples of interest. Raman and fluorescence spectroscopy results on P3HT-containing nanomaterials are compared to DSC analyses on macroscopic materials. The project will improve our ability to characterize P3HT nanomaterials and to optimize their properties. More generally, our results will ultimately lead to a better understanding of the structure-processing-property-function relationships of conjugated polymers, contributing to the preparation of new, more efficient organic electronic materials.

Le microscope à force atomique (AFM) permet de caractériser avec une excellente résolution spatiale les surfaces d’échantillons de différentes natures et peut être mis en œuvre dans des milieux variés. Cette versatilité a favorisé le développement d’un grand nombre de techniques dérivées, destinées à investiguer diverses propriétés physiques locales. Le LGEP a ainsi réalisé un module, le Résiscope, capable de mesurer la résistance électrique locale à la surface d’un échantillon polarisé en continu, sur une gamme de 11 décades. Mise au point en mode contact, où la pointe exerce en permanence une force sur l’échantillon, cette technique fonctionne très bien sur des matériaux durs, mais trouve ses limites sur des échantillons mous ou fragiles puisque dans certaines conditions, la pointe peut altérer leur surface. Pour de tels échantillons, un mode contact intermittent, dans lequel la pointe vient à intervalles réguliers toucher très brièvement la surface, est plus approprié, mais complique la réalisation des mesures électriques. Le but de la thèse consistait à lever cette difficulté en modifiant le Résiscope pour pouvoir l’associer au « Pulsed Force Mode », mode intermittent où la pointe oscille à une fréquence de 100Hz à 2000Hz.Différentes évolutions matérielles et logicielles ont été apportées pour permettre le suivi temporel détaillé du signal de résistance électrique à chaque établissement/rupture de contact (indispensable pour passer en revue les phénomènes liés à l’intermittence), de même que pour pouvoir travailler à des vitesses de balayage acceptables. Pour l’imagerie, les meilleurs contrastes ont été obtenus grâce à une électronique de synchronisation et de traitement prenant en compte les valeurs de résistance électrique à des moments bien précis. Pour tester ce nouveau système, nous avons dans un premier temps comparé les courbes de résistance et de déflexion que nous obtenons par ce mode avec celles considérées classiquement dans le mode approche-retrait. Nous avons ensuite étudié l’influence des principaux paramètres (fréquence et amplitude d’oscillation, force d’appui, type de pointe, etc.) sur les mesures topographiques et électriques, en utilisant le HOPG comme matériau de référence. Ces essais ont notamment permis de mettre en évidence un retard quasi systématique du signal électrique par rapport au signal de déflexion (autre que le temps de mesure propre au Résiscope), dont nous n’avons pu élucider l’origine. Une fois ces connaissances acquises, nous avons étudié deux types d’échantillons organiques, l’un à caractère académique – des monocouches auto-assemblées d’alcanethiols (SAMs), l’autre à finalité plus applicative – des couches minces formées d’un réseau interpénétré de deux constituants (P3HT:PCBM) destinées aux cellules photovoltaïques. Dans les deux cas nous avons montré la pertinence de l’outil Résiscope en mode intermittent pour obtenir des informations qualitatives et quantitatives. Parallèlement à ces travaux sur matériaux fragiles, nous avons mené une étude annexe sur un phénomène de croissance de matière à caractère isolant constaté dans des conditions particulières sur différents matériaux durs, qui a été interprété comme la formation de polymère de friction sous l’effet des nano-glissements répétés associés à la déflexion du levier.Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d’une convention CIFRE avec la société Concept Scientifique Instruments, adossée au projet ANR « MELAMIN » (P2N 2011). / The atomic force microscope (AFM) allows to characterize with excellent spatial resolution samples of different types of surfaces and can be implemented in various environments. This versatility has encouraged the development of a large number of derivative technics, intended to investigate various local physical properties. The LGEP thus achieved a module, the Résiscope, capable of measuring the local electrical resistance on the surface of a sample polarized continuously, on a range of 11 decades. Developed in contact mode, where the tip continuously exerts a force on the sample, this technic works well on hard materials, but finds its limits on soft or fragile samples since under certain conditions, the tip can alter the surface. For such samples, an intermittent contact mode, in which the tip comes at regular intervals touch very briefly the surface, is more appropriate, but complicates the achievement of electrical measurements. The aim of this thesis was to overcome this difficulty by changing the Résiscope to be able to join the "Pulsed Force Mode", intermittent mode where the tip oscillates at a frequency of 100Hz to 2000Hz. Different hardware and software changes have been made to permit the detailed temporal monitoring of the electrical resistance signal to each make / break contact (necessary to review the phenomena related to intermittency), as well as to be able to work in acceptable scan speeds. For imaging, the best contrasts were obtained through an electronic timing and treatment taking into account the electrical resistance values at specific times.To test this new system, we have initially compared resistance and deflection curves we get by this mode with those considered classically in the force-distance curves mode. We then investigated the influence of main parameters (frequency and amplitude of oscillation, setpoint, coating of the tips, etc.) on the topographical and electrical measurements, using the HOPG as reference material. These tests resulted to highlight a nearly systematic delay of the electrical signal relative to the deflection signal (other than the Resiscope measure time), which we were not able to elucidate the origin. Once these knowledge acquired, we studied two types of organic samples, one in academic nature - Self-Assembled Monolayers of alkanethiols (SAMs), the other more applicative purpose – formed of thin layers of an interpenetrating network of two components (P3HT:PCBM) for photovoltaic cells. In both cases we have shown the relevance of the Resiscope tool in intermittent mode to obtain qualitative and quantitative information. In addition to these work on fragile materials, we conducted an annex study on a phenomenon of growth material of insulating nature found in special conditions on various hard materials, which has been interpreted as the friction polymer formation as a result of repeatedly nano-sliding associated with the deflection of the cantilever. These investigations were conducted under a CIFRE agreement with the Concept Scientific Instruments company, backed by the ANR MELAMIN» (P2N 2011) project.

The solid-state mesoscopic solar cells (sMSCs) have been developed as a promising alternative technology to the conventional photovoltaics. However, the device performance suffers from the low hole-mobilities and the incomplete pore filling of the hole transport materials (HTMs) into the mesoporous electrodes. A variety of HTMs and different preparation methods have been studied to overcome these limitations. There are two types of sMSCs included in this doctoral thesis, namely solid-state dye-sensitized solar cells (sDSCs) and organometallic halide perovskite based solar cells. Two different types of HTMs, namely the small molecule organic HTM spiro-OMeTAD and the conjugated polymer HTM P3HT, were compared in sDSCs. The photo-induced absorption spectroscopy (PIA) spectra and spectroelectrochemical data suggested that the dye-dye hole conduction occurs in the absence of HTM and appears to be of significant importance to the contribution of hole transport. The PIA measurements and transient absorption spectroscopy (TAS) indicated that the oxidized dye was efficiently regenerated by a small molecule organic HTM TPAA due to its excellent pore filling. The conducting polymer P3HT was employed as a co-HTM to transfer the holes away from TPAA to prohibit the charge carrier recombination and to improve the hole transport. An alternative small molecule organic HTM, MeO-TPD, was found to outperform spiro-OMeTAD in sDSCs due to its more efficient pore filling and higher hole-mobility. Moreover, an initial light soaking treatment was observed to significantly improve the device performance due to a mechanism of Li+ ion migration towards the TiO2 surface. In order to overcome the infiltration difficulty of conducting polymer HTMs, a state-of-the-art method to perform in-situ photoelectrochemical polymerization (PEP) in an aqueous micellar solution of bis-EDOT monomer was developed as an environmental-friendly alternative pathway with scale-up potential for constructing efficient sDSCs with polymer HTMs. Three different types of HTMs, namely DEH, spiro-OMeTAD and P3HT, were used to investigate the influence of HTMs on the charge recombination in CH3NH3PbI3 perovskite based sMSCs. The photovoltage decay measurements indicate that the electron lifetime (τn) of these devices decreases by one order of magnitude in the sequence τspiro-OMeTAD > τP3HT > τDEH.

Active layer morphology of polymer-based solar cells plays an important role in improving power conversion efficiency (PCE). In this thesis, the focus is to improve the device efficiency of polymer-based solar cells. In the first objective, active layer morphology of polymer-solar cells was optimized though a novel solvent annealing technique. The second objective was to explore the possibility of replacing the highly sensitive aluminum cathode layer with a low-cost and stable alternative, copper metal. Large scale manufacturing of these solar cells is also explored using roll-to-roll printing techniques. Poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl (PCBM) were used as the active layer blend for fabricating the solar cell devices using bulk heterojunction (BHJ), which is a blend of a donor polymer and an acceptor material. Blends of the donor polymer, P3HT and acceptor, PCBM were cast using spin coating and the resulting active layers were solvent annealed with dichlorobenzene in an inert atmosphere. Solvent annealed devices showed improved morphology with nano-phase segregation revealed by atomic force microscopy (AFM) analysis. The roughness of the active layer was found to be 6.5 nm. The nano-phase segregation was attributed to PCBM clusters and P3HT domains being arranged under the solvent annealing conditions. These test devices showed PCE up to 9.2 % with current density of 32.32 mA/cm2, which is the highest PCE reported to date for a P3HT-PCBM based system. Copper was deposited instead of the traditional aluminum for device fabrication. We were able to achieve similar PCEs with copper-based devices. Conductivity measurements were done on thermally deposited copper films using the two-probe method. Further, for these two configurations, PCE and other photovoltaic parameters were compared. Finally, we studied new techniques of large scale fabrication such as ultrasonic spray coating, screen-printing, and intense pulse light sintering, using the facilities at the Conn Center for Renewable Energy Research at the University of Louisville. In this study, prototype devices were fabricated on flexible ITO coated plastics. Sintering greatly improved the conductivity of the copper nano-ink cathode layer. We will explore this technique’s application to large-scale fabrication of solar cell devices in the future work.