Ce travail de thèse porte sur la synthèse de matériaux hybrides organiques-inorganiques obtenus par greffage contrôlé d'oligomères ou de polymères pi-conjugués, à base de thiophène ou d'aniline, sur la surface de nanocristaux de semi-conducteurs II-VI, et plus précisément sur du CdSe. <br />La réaction de greffage est assurée par une fonction d'ancrage, de type carbodithioate, présente sur les ligands et ayant une grande affinité pour la surface des nanocristaux. On distingue deux méthodes de greffage : une voie directe par simple échange de ligands et une voie indirecte comprenant une étape de post-fonctionnalisation de nanocristaux enrobés par des ligands bi-fonctionnels, en l'occurrence par le 4-formyldithiobenzoate. Cette dernière méthode est très générale et permet en outre de co-déposer un mélange nanocristaux / oligomère et d'effectuer la réaction de couplage en phase solide en chauffant.<br />De manière générale, les propriétés électrochimiques des nanocristaux et des ligands greffés sont principalement conservées et les études spectroélectrochimiques démontrent que le mécanisme de dopage des ligands conjugués greffés reste inchangé en présence du nanocristal. <br />La position des niveaux énergétiques des ligands, par exemple du tétramère d'aniline, par rapport au nanocristal est telle qu'une séparation des charges est possible après une excitation, ce qui est confirmé par la diminution forte de la photoluminescence. Des études de photoluminescence résolue dans le temps montrent une corrélation directe entre la longueur de conjugaison des ligands et l'efficacité du transfert. Dans le cas du tétramère d'aniline, plus aucun signal n'est mesurable. Mais le transfert de charges dans le cas du thiophènedithiobenzoate est également très efficace. Les premières mesures de photocourant sont également prometteuses. Les matériaux développés, qui peuvent être préparés de manière contrôlée et variée, possèdent un potentiel d'application dans les cellules photovoltaïques.

Les cellules photovoltaïques organiques ont fait l'objet d'un intérêt croissant au cours de ces dernières décennies car elles offrent un grand potentiel pour une production d'énergie renouvelable à faible coût. Afin d'obtenir des cellules solaires organiques à haut rendement de conversion d'énergie, beaucoup de recherches se focalisent sur les matériaux ayant des capacités à absorber la lumière efficacement. Dans ce contexte, le présent travail se concentre sur la conception et le développement de nouveaux matériaux donneurs d'électrons (oligomères et polymères) comme matériaux absorbant de la lumière basée sur l'approche " Donneur-Accepteur " alternant des segments riches en électron (donneur d'électron) et des unités pauvres en électron (accepteur d'électron). Trois séries d'unités riches en électron ont été étudiées: oligothiophènes, fluorène et indacenodithiophene. L'unité fluorénone est la principale unité " accepteur d'électron " étudiée. Une comparaison directe avec le système basé sur l'unité benzothiadiazole comme accepteur d'électron est également rapportée. Trois méthodes principales de synthèse ont été utilisées: polymérisation oxydante par le chlorure de fer (III), et les couplages croisés au palladium de type Suzuki ou de Stille. Les études spectroscopique UV-Visible en absorption et en photoluminescence sur ces oligomères et polymères ont démontré la présence de complexes à transfert de charges permettant d'élargir le spectre d'absorption. Les oligomères et les polymères possèdent des faibles largeurs de bande interdite de 1,6 eV à 2 eV. Les systèmes ayant des unités fluorénones présentent des spectres d'absorption étendus allant jusqu'à 600-700 nm, tandis que les systèmes ayant des unités benzothiadiazoles présentent des spectres d'absorption allant jusqu'à 700- 800 nm. La nature des bandes de complexes à transfert de charge se révèle d'être dépendant de la force de respective des unités " donneur d'électrons " et des unités " accepteur d'électrons ". Les niveaux d'énergies HOMO et LUMO des oligomères et les polymères sont déterminés par des mesures électrochimiques. Les polymères à base de fluorène possèdent des niveaux d'énergie HOMO les plus bas. Ces polymères testés en mélange avec les fullerenes PCBM en cellules photovoltaïques ont démontré des valeurs élevées de tension en circuit ouvert (Voc) proche de 0,9 V. Tous les oligomères et les polymères ont été testés dans des dispositifs photovoltaïques et ont montré des résultats encourageants avec des rendements de conversion allant jusqu'à 2,1 %. Ce sont des premièrs résultats obtenus après seulement quelques optimisations (ratios oligomères ou polymères : fullerènes et recuit thermique). Ce travail prometteur permet ainsi d'envisager des résultats plus élevés dans le futur.

Les cellules photovoltaïques organiques ont fait l'objet d'un intérêt croissant au cours de ces dernières décennies car elles offrent un grand potentiel pour une production d'énergie renouvelable à faible coût. Afin d'obtenir des cellules solaires organiques à haut rendement de conversion d'énergie, beaucoup de recherches se focalisent sur les matériaux ayant des capacités à absorber la lumière efficacement. Dans ce contexte, le présent travail se concentre sur la conception et le développement de nouveaux matériaux donneurs d'électrons (oligomères et polymères) comme matériaux absorbant de la lumière basée sur l'approche « Donneur-Accepteur » alternant des segments riches en électron (donneur d'électron) et des unités pauvres en électron (accepteur d'électron). Trois séries d'unités riches en électron ont été étudiées: oligothiophènes, fluorène et indacenodithiophene. L'unité fluorénone est la principale unité « accepteur d'électron » étudiée. Une comparaison directe avec le système basé sur l'unité benzothiadiazole comme accepteur d'électron est également rapportée. Trois méthodes principales de synthèse ont été utilisées: polymérisation oxydante par le chlorure de fer (III), et les couplages croisés au palladium de type Suzuki ou de Stille. Les études spectroscopique UV-Visible en absorption et en photoluminescence sur ces oligomères et polymères ont démontré la présence de complexes à transfert de charges permettant d'élargir le spectre d'absorption. Les oligomères et les polymères possèdent des faibles largeurs de bande interdite de 1,6 eV à 2 eV. Les systèmes ayant des unités fluorénones présentent des spectres d'absorption étendus allant jusqu'à 600-700 nm, tandis que les systèmes ayant des unités benzothiadiazoles présentent des spectres d'absorption allant jusqu'à 700- 800 nm. La nature des bandes de complexes à transfert de charge se révèle d'être dépendant de la force de respective des unités « donneur d'électrons » et des unités « accepteur d'électrons ». Les niveaux d'énergies HOMO et LUMO des oligomères et les polymères sont déterminés par des mesures électrochimiques. Les polymères à base de fluorène possèdent des niveaux d'énergie HOMO les plus bas. Ces polymères testés en mélange avec les fullerenes PCBM en cellules photovoltaïques ont démontré des valeurs élevées de tension en circuit ouvert (Voc) proche de 0,9 V. Tous les oligomères et les polymères ont été testés dans des dispositifs photovoltaïques et ont montré des résultats encourageants avec des rendements de conversion allant jusqu'à 2,1 %. Ce sont des premièrs résultats obtenus après seulement quelques optimisations (ratios oligomères ou polymères : fullerènes et recuit thermique). Ce travail prometteur permet ainsi d'envisager des résultats plus élevés dans le futur. / Organic photovoltaic (OPV) cells have been a subject of increasing interest during the last decade as they are promising candidates for low cost renewable energy production. In order to obtain reasonably high performance organic solar cells, development of efficient light absorbing materials are of primary focus in the OPV field. In this context, the present work is focused on the design and development of new electron donor materials (oligomers and polymers) as light absorbing materials based on “Donor-Acceptor” approach alternating electron donating group and electron withdrawing group. Three main families of electron donating group are studied: oligothiophenes, fluorene and indacenodithiophene. Fluorenone unit is the principal electron withdrawing group studied and a direct comparison with the system based on benzothiadiazole unit as electron withdrawing unit is also provided. Three main synthetic methods were employed: oxidative polymerization mediated by Iron (III) chloride and Palladium cross-coupling reactions according to Suzuki coupling or Stille coupling conditions. Spectroscopic studies on absorption and photoluminescence have demonstrated the presence of characteristic charge transfer complex in all the studied D-A oligomers and polymers allowing the extension of the absorption spectrum. The D-A oligomers and polymers have shown an overall low optical band gap of 1.6-2 eV with absorption spectra up to 600 to 800 nm. The nature of the charge transfer complex transitions bands were found to be depending on the strength of the electron donating unit and the electron withdrawing unit. Furthermore molecular packing in solution and in solid state has also demonstrated to contribute to extension of absorption spectrum. The HOMO and LUMO energy levels of the oligomers and polymers were determined by electrochemical measurements. Fluorene-based polymers have shown low lying HOMO energy levels, and these polymers demonstrate high open circuit voltage (Voc) in photovoltaic cell when combined with fullerenes derivatives PCBM with Voc values close to 0.9 V. The oligomers and polymers tested in photovoltaic devices have shown promising results with the highest power conversion efficiency obtained of 2.1 % when combined with fullerenes PCBMC70. These results were obtained after only limited numbers of device optimizations such as the active materials ratios and thermal annealing. Therefore further optimization of devices may exhibit higher power conversion efficiencies.

La structuration nanométrique par l'auto-assemblage des copolymères à blocs est l'une des stratégies « bottom-up » prometteuses pour contrôler la morphologie de la couche active de cellules photovoltaïques organiques. Dans cette thèse, une nouvelle classe de copolymère constitué d’un bloc semi-conducteur π-conjugué poly(3-hexylthiophène) (P3HT) regioregulier et d’un bloc oligosaccharidique a été synthétisée et a montré une auto-organisation en nanostructures périodiques de domaine inférieure à 10 nm. Deux systèmes de copolymères à blocs ont été synthétisés, le P3HT-bloc-maltoheptaose peracétylé (P3HT-b-AcMal7) et le P3HT-bloc-maltoheptaose (P3HT-b-Mal7), via une réaction de chimie "clic" entre les segments oligosaccharidiques et P3HT fonctionnalisés en extrémité. Une étude exhaustive sur leur comportement d'auto-assemblage par des analyses AFM, TEM et de diffusion des rayons X a révélé que le copolymère à bloc P3HT-b-AcMal7 montre une propension à s'auto-assembler par recuit thermique en structures lamellaires avec une résolution inférieure à 10 nm, c’est-à-dire la morphologie et la taille idéale pour la couche active d’une cellule photovoltaïque organique. De plus, ce système présente l’une des plus petites tailles de domaines réalisées par l'auto-assemblage de copolymères à blocs à base de P3HT. Un réseau lamellaire composé uniquement du P3HT a été obtenu par gravure chimique sélective du bloc sacrificiel AcMal7 à partir d'un film nano-organisé de P3HT-b-AcMal7 et ceci sans affecter la structure lamellaire initiale. Les domaines vides du AcMal7 gravé pourront être remplis par un composé accepteur d'électrons tel que le [6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle (PCBM) pour l’application photovoltaïque comme perspective de cette thèse. Les résultats et les connaissances acquises dans cette étude devraient permettre d'augmenter les performances des prochaines générations de cellules photovoltaïques organiques. / Nanoscale patterning through self-assembly of block copolymers is one of the promising bottom-up strategies for controlling active layer morphology in organic photovoltaics. In this thesis, a new class of carbohydrate-based semiconducting block copolymers consisting of π-conjugated regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and oligosaccharides were synthesized and self-organized into sub-10 nm scale periodic nanostructures. Two different diblock copolymers, i.e. P3HT-block-peracetylated maltoheptaose (P3HT-b-AcMal7) and P3HT-block-maltoheptaose (P3HT-b-Mal7) were synthesized via "click" reaction between end-functionalized oligosaccharide and P3HT moieties. A comprehensive investigation of their self-assembly behavior by AFM, TEM, and X-ray scattering analyses revealed that the P3HT-b-AcMal7 diblock copolymer has the ability to self-assemble into sub-10 nm scale lamellar structure, which is the ideal morphology of the active layer in organic photovoltaics and one of the smallest domain sizes achieved by self-assembly of P3HT-based block copolymers, via thermal annealing. Nano-patterned film made of P3HT was attained by selective chemical etching of AcMal7 block from microphase-separated P3HT-b-AcMal7 template without affecting the original lamellar structure. The resultant void where the etched-out AcMal7 block existed will be filled with electron acceptor compounds such as [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) for photovoltaic application as a perspective of this thesis. The results and knowledge obtained in this study are expected to provide further advances and innovation in organic photovoltaics.