Le contrôle de la morphologie de la couche active en optoélectronique organique représente un objectif majeur du fait de son impact sur la stabilité et les performances des dispositifs. En particulier, le degré d'autoorganisation d'un mélange de deux composés à caractère donneur (D) et accepteur (A) d'électrons, ainsi que leurs orientations sont déterminants pour obtenir à la fois un de transfert de charges efficace et des chemins de percolation continus jusqu'aux électrodes. Durant ce travail de thèse, nous avons synthétisé plusieurs séries de co-oligomères à blocs donneur-accepteur capables de s'auto-organiser pour former des lamelles alternées D/A à longue distance. Les co-oligomères présentent une architecture moléculaire de type diade (DA) ou triade (DAD ou ADA), et sont constitués d'une longueur de bloc D variable. Les molécules sont toutes composées d'un bloc A à base de perylène diimide et d'un bloc D contenant les motifs thiophène, fluorène et benzothiadiazole. Une attention particulière a été portée sur l'étude des propriétés optiques, électrochimiques, photophysiques, structurales ou encore opto-électroniques de nos matériaux. En particulier, nous nous avons montré que l'organisation lamellaire était très fortement dépendante de l'architecture moléculaire, puisque seuls les systèmes AD et ADA conduisent à une structuration à longue distance. Par ailleurs, en ajustant la densité électronique au sein du bloc D, nous avons montré qu'il était possible de contrôler à la fois le temps de formation et la durée de vie des états à transfert de charges. Enfin,les premiers résultats de caractérisation du transport de charges et des propriétés photovoltaïques démontrent l'intérêt de ces matériaux dans la réalisation de dispositifs photovoltaïques organiques mono-composants.

Le contrôle de la morphologie de la couche active en optoélectronique organique représente un objectif majeur du fait de son impact sur la stabilité et les performances des dispositifs. En particulier, le degré d'autoorganisation d'un mélange de deux composés à caractère donneur (D) et accepteur (A) d’électrons, ainsi que leurs orientations sont déterminants pour obtenir à la fois un de transfert de charges efficace et des chemins de percolation continus jusqu'aux électrodes. Durant ce travail de thèse, nous avons synthétisé plusieurs séries de co-oligomères à blocs donneur-accepteur capables de s’auto-organiser pour former des lamelles alternées D/A à longue distance. Les co-oligomères présentent une architecture moléculaire de type diade (DA) ou triade (DAD ou ADA), et sont constitués d’une longueur de bloc D variable. Les molécules sont toutes composées d'un bloc A à base de perylène diimide et d'un bloc D contenant les motifs thiophène, fluorène et benzothiadiazole. Une attention particulière a été portée sur l'étude des propriétés optiques, électrochimiques, photophysiques, structurales ou encore opto-électroniques de nos matériaux. En particulier, nous nous avons montré que l’organisation lamellaire était très fortement dépendante de l’architecture moléculaire, puisque seuls les systèmes AD et ADA conduisent à une structuration à longue distance. Par ailleurs, en ajustant la densité électronique au sein du bloc D, nous avons montré qu’il était possible de contrôler à la fois le temps de formation et la durée de vie des états à transfert de charges. Enfin,les premiers résultats de caractérisation du transport de charges et des propriétés photovoltaïques démontrent l’intérêt de ces matériaux dans la réalisation de dispositifs photovoltaïques organiques mono-composants. / In the field of organic opto-electronics, the good control of the active layer morphology in devices represents a major objective to improve the stability and the photovoltaic performances. Especially when blends of selforganizing electron donor (D) and acceptor (A) moieties are combined, their mutual orientation and the degree of supramolecular ordering are determinant in controlling the fundamental energy, the electron transfer processes and the existence of continuous percolation pathways for charge carriers. In this work, we have designed and synthesized different series of donor-acceptor block co-oligomers able toself-assemble in a lamellar structure at very long range. The co-oligomers are made of a dyad (AD) or triad (DAD, or ADA) molecular architecture, and have a variable length of the D block. The A block is constituted of a perylene diimide unit, and the D block of benzothiadiazole, thiophene and fluorene segments. A particular attention was paid on the studies of optical, electrochemical, photophysical, structural and opto-electronical properties. In particular, we showed that the lamellar organization was strongly dependent on the molecular architecture, since only the AD and ADA systems lead to long-range organization. Moreover, by tuning the electronic density along the D block, it has been possible to control both the formation and lifetime of the charge transfer states. Finally, the first results on charge transport and photovoltaic properties demonstrate the high interest of these materials for the elaboration of single component organic photovoltaic devices.

Qu’il s’agisse de s’éclairer, de se chauffer, de s’alimenter sainement, de se soigner, de se véhiculer, de s’informer ou encore de se distraire, l’énergie a toujours été au centre des préoccupations et sa conversion en électricité est désormais omniprésente. Le lourd constat environnemental à la suite de l’exploitation intensive de sources fossiles a mené à une indispensable transition vers les énergies renouvelables. Souvent intermittentes, il est nécessaire de les stocker, généralement grâce à des batteries. Parmi les différentes technologies, cette thèse traite des batteries lithium-ion pour le stockage de l’énergie solaire. En effet, cette thèse a pour but l’étude d’un dispositif « tout-en-un » capable de convertir l’énergie solaire et de la stocker. Pour se faire, un semi-conducteur organique photoactif de la famille des pérylènes diimides (PDI) a été emprunté au domaine des cellules solaires organiques et couplé à un matériau phare et durable des batteries lithium-ion : le LiFePO4 (LFP). Cette thèse se décompose en trois parties selon une méthodologie qui vise à la compréhension fondamentale de transferts électroniques photoinduits, en amont du développement d’un dispositif. Pour aboutir à une preuve de concept, une étude de l’extinction de fluorescence du PDI en présence de LFP a d’abord été menée, afin de vérifier l’injection d’électrons en provenance du matériau de batterie dans le semi-conducteur excité. Ce travail a été fait en solution puis à l’état solide, pour la mise au point d’une photoélectrode. Ces deux études ont permis de comprendre les pré-requis du matériau d’électrode positive de batterie pour qu’il soit photoxydé, puis des résultats de spectroscopie Raman ont démontré l’importance des interfaces dans la mise en contact du PDI et du LFP. Finalement, forts d’une première preuve expérimentale de photocharge au sein d’un dispositif « photobatterie », le PDI a été polymérisé et son implémentation dans une photoélectrode de batterie lithium-ion a pu être optimisée. Ses rôles multiples (photoactif, photooxydant, conducteur électronique et liant) ont permis de générer un photocourant sans que cela ne soit au détriment du fonctionnement de la batterie. / Converting energy to electricity is ubiquitous because it plays a vital role in daily life whether for lighting, heating, health, transport, information or entertainment. Societal energy demands are often met with fuel fossils that have had deleterious environmental effects. Transitioning to renewables can mitigate these adverse outcomes. Renewable energy is often intermittent, requiring it to be stored for use during periods when the energy is unavailable. Batteries have become viable means to this end. Among the different technologies, this manuscript examines lithium-ion batteries for solar energy storage. Indeed, this work puts forward an all-in-one device: a device capable of converting and storing solar energy. To this end, a well-known photoactive organic semi-conductor in solar cells (perylene diimide; PDI) was coupled to a conventional and durable electrode material (LiFePO4; LFP) for lithium-ion batteries. This manuscript is divided into three discrete parts following the methodology to demonstrate the fundamental underlying processes of the future all-in-one device before its development: light harvesting and electron transfer. Towards a proof of concept, the thesis systematically studied the light mediated processes in solution, in the solid state, and in an operating device. Initial studies examined the fluorescence quenching of PDI with LFP. This was to validate the injection of electrons from the battery material to the photoexcited semi-conductor indeed occurred. The same emission studies were applied in the solid state for developing a photoelectrode. The two studies generated knowledge about the compositional and architectural requirements of the positive electrode material for it be photoxidized by PDI. Raman spectroscopy further demonstrated the importance of interfaces between the battery material and the organic semiconductor. These enabled a photocharge when the photobattery was illuminated. The PDI was next polymerized and enabled a photocurrent in the battery, courtesy of its collective properties (light harvester, photo-oxidant, electronic conductor, and binder).