Dans une configuration optimale, la couche photo-active d'une cellule solaire organique forme une hétérojonction volumique entre un matériau donneur et un matériau accepteur d'électrons. Cette morphologie optimale se trouve dans un état thermodynamique métastable. En cours de fonctionnement, l'absorption incidente provoque une élévation de la tempéra- ture des dispositifs. L'apport d'énergie thermique au système le fait évoluer vers un état thermodynamique stable correspondant à une micro-séparation de phase entre les deux matériaux nuisible aux performances photovoltaïques du dispositif. La solution à cette problématique envisagée dans cette thèse est de figer la morphologie optimale de la couche photo-active par réticulation chimique. Dans le but de prévenir la diffusion et la cristallisation des dérivés du fullerène, plusieurs approches ont été étudiées : la formation d'une maille de polymères réticulés, l'accroche des dérivés du fullerène aux chaînes du polymères ou la liaison entre plusieurs dérivés du fullerène. Les différentes fonctions réticulantes utilisées dans ces approches sont l'allyle, le cinnamate, l'anthracène et l'azoture. Au cours de ces travaux, des résultats satisfaisants ont été obtenus avec la fonction azoture. Basé sur cette fonction, nous avons développé un additif qui permet d'augmenter notablement la stabilité thermique des cellules solaires réticulées. Cette approche a été validée sur plusieurs couples de matériaux polymères/dérivés du fullerène à l'état de l'art.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la synthèse et l'étude des propriétés spectroscopiques et électrochimiques de systèmes donneur-accepteur conçus pour des applications variées telles que l'électrofluorochromisme, l'absorption à deux photons et le photovoltaïque. La s-tétrazine a été choisie comme accepteur pour sa forte affinité électronique, ses propriétés émissives remarquables et sa capacité à s'organiser via des interactions intermoléculaires de type &#61552--stacking. La triphénylamine a été sélectionnée comme donneur pour son faible potentiel d'ionisation, ses propriétés spectroscopiques (fortes absorption et émission) et la modulation facile de ses propriétés par changement de substituants. Sept dérivés de triphénylamine ont été synthétisés ainsi que dix-huit nouveaux composés multichromophoriques à base de tétrazine et de triphénylamine présentant cinq liens différents et des substituants variés. Ils ont été caractérisés par électrochimie et spectroscopie (stationnaire et résolue en temps). L'étude de la modulation de leurs propriétés photophysiques par le changement de l'état rédox a ensuite été réalisée. Dix composés présentant un lien permettant la conjugaison entre la triphénylamine et la tétrazine ont été synthétisés et caractérisés par électrochimie et spectroscopie. Compte-tenu de leurs propriétés, six d'entre eux ont été testés en absorption à deux photons et deux ont étés retenus pour être utilisés comme donneurs dans une cellule photovoltaïque organique. Par ailleurs, deux réactions ont été étudiées en détail pour expliquer la formation des produits obtenus, inattendus à un premier abord.

Les matériaux les plus répandus dans le domaine du photovoltaïque (PV) organique à base de polymères sont le poly(3-hexylthiophène) régiorégulier (rr-P3HT) et le [6,6]-phenyl-C61-butyric acide methyl ester (PCBM). La couche active est une hétérojonction en volume (BHJ) de nanodomaines interpénétrés accepteur d'électron (le PCBM) et donneur d'électron (le P3HT). Le contrôle de la morphologie de la couche active et de sa stabilité est un défi majeur pour le développement des cellules organiques et est au centre de ce travail de thèse.Dans un premier temps, nous avons cherché à contrôler la morphologie du mélange P3HT:PCBM via l'utilisation de compatibilisants. Deux familles de copolymères à blocs rigide et souple ont été étudiées. Elles ont en commun leur bloc rigide à base de P3HT et diffèrent par leur bloc souple. Pourla première famille, le bloc souple poly-butylacrylate est greffé de C60, ce qui lui confère une affinité chimique avec les domaines de PCBM, et la seconde famille a un bloc souple poly(4-vinylpiridine) (P4VP) non greffé en C60. De par son affinité chimique avec le C60, le PCBM se localisera préférentiellement au voisinage des domaines P4VP.Dans un deuxième temps, nous avons exploité les propriétés d'auto-assemblages des copolymères à blocs afin de les étudier en tant que matériaux photo-actifs. Nous avons cherché à appréhender l'influence de la nature du bloc flexible let de a taille des blocs souple et rigide sur l'organisation des copolymères ainsi que sur les propriétés de transport de charge et sur les performances PV.

Ce travail est consacré à l'étude du comportement photochimique d'un encapsulant multifonctionnel de cellules photovoltaïques organiques (CPO) dont la finalité est d'augmenter à la fois la durée de vie et le rendement de conversion des cellules. L'étude rapportée dans ce manuscrit porte sur le développement d'un revêtement permettant la conversion lumineuse du rayonnement UV solaire, ce dernier étant un facteur important de dégradation des CPO à base de P3HT et ne contribuant que faiblement à la conversion photovoltaïque. Dans un premier temps cette étude a porté sur l'élaboration d'une couche de conversion à partir d'une matrice polymère en EVA et d'une charge luminescente inorganique (SrAl2O4 : Eu2+, Dy3+). Dans un second temps, l'évolution des propriétés physiques et chimiques de cette couche de conversion sous irradiation à des longueurs d'onde supérieures à 300 nm a été étudiée. La présence des charges s'est révélée être un facteur pro-dégradant des films composites, sans pour autant que le mécanisme de dégradation du polymère ne soit affecté. L'étude des conditions de propagation de la lumière dans les films diffusants par l'application de la théorie de Mie a mis en évidence une possible augmentation du trajet optique des photons dans certains films composites. Ce phénomène pourrait contribuer à expliquer l'origine du comportement photochimique particulier des films étudiés. C'est finalement une preuve de concept qui a été recherchée pour l'utilisation d'un revêtement multifonctionnel pour l'amélioration et la conservation des propriétés de conversion d'une CPO à base de P3HT.

L'efficacité des cellules photovoltaïques organiques est influencée par la morphologie du mélange composant la couche active. L'objectif de cette thèse a été d'élaborer un agent compatibilisant pour stabiliser la morphologie du mélange P3HT:PCBM. Nous avons choisi de synthétiser des copolymères alternant motifs C60 et polythiophène pour améliorer la miscibilité entre P3HT et PCBM. Les copolymères ont été réalisés par polycondensation d'un dérivé C60 avec plusieurs oligothiophènes régioréguliers de difonctionnalité contrôlée. Une attention particulière a été accordée aux conditions de polycondensation qui ont été optimisées pour favoriser de hauts degrés de polymérisation. Les caractérisations structurales, optiques et électrochimiques des matériaux ont été réalisées. Leur effet compatibilisant a été évalué en caractérisant la morphologie de la couche active par des mesures en cellules photovoltaïques, des observations par microscopie à force atomique et des calculs d'énergies de surface. / Efficiency of organic photovoltaic solar cells is influenced by the active layer's morphology. The aim of this thesis was to elaborate a compatibilising agent which could stabilise the morphology of the P3HT:PCBM blend. We chose to synthesize alternating copolymers based on fullerene and polythiophene blocks to improve compatibility between P3HT and PCBM. The synthesis of copolymers has been achieved by polycondensation of a fullerene derivative with several regioregular oligothiophenes for which difunctionality was well controlled. Particular care has been given to the optimisation of polycondensation conditions in order to favour high polymerisation degrees. Structural, optical and electrochemical characterisations have been realized. The compatibilising effect of our copolymers on the active layer morphology has been investigated on the basis of photovoltaic measurements, atomic force microscopy observations and surface energy calculations.

Une cellule photovoltaïque organique (OPV) consiste en un empilement de couches minces et comporte une électrode transparente, constituée le plus souvent par une couche mince d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO). Des matériaux alternatifs sans indium, déposables par voie liquide à l’air ambiant, et sur de grandes surfaces souples plus adaptées à la filière OPV, sont actuellement l’objet d’un grand nombre de recherches. Les nanofils d’argent (Ag NWs) représentent un sérieux candidat pour remplacer l’ITO et sont l’objet de ce travail de thèse. Une méthode de dépôt des Ag NWs par spray à air sur des substrats de PET a été développée en vue de réaliser des films conducteurs et transparents sur une grande surface souple. Puis ces électrodes transparentes ont été intégrées dans des cellules OPV sur substrat souple avec des rendements comparables à l’ITO. Les dépôts par voie liquide ont été privilégiés (spray-coating, Dr Blade), excepté pour l’électrode supérieure en argent, évaporée sous vide. Enfin les cellules ont été interconnectées en série pour former un module OPV, plus efficace en termes de puissance électrique délivrée. Une étude sur l’ablation sélective de couches de l’empilement OPV par laser est également présentée pour la fabrication de modules. / An organic photovoltaic (OPV) cell consists of a thin-layer stack which includes a transparent electrode, usually made of indium tin-doped oxide (ITO). Alternative, indium-free materials, deposited in air with a wet deposition process on large, flexible substrates that are more compatible with the OPV field are currently widely investigated. Silver nanowires (Ag NWs), which represent a serious candidate to replace ITO, are the subject of this thesis. In this work a method to deposit Ag NWs on PET substrates by air spray-coating has been developed : efficient patterned conductive and transparent coatings could be processed on a large, flexible substrate. This transparent electrode was then integrated in flexible and large area OPV cells, with efficiencies comparable to ITO. Wet deposition techniques were preferred except for the silver top electrode, evaporated under vacuum. OPV cells were eventually interconnected in series in order to make an OPV module, delivering a higher electrical output. A study on selective laser ablation of layers in the OPV stack is also shown towards module processing.

Au cours des dernières années, le développement des cellules organiques à réseaux interpénétrés a permis d’améliorer les rendements de conversion photovoltaïque (PV). Ces dispositifs incorporent une couche active constituée d’un mélange d’un matériau donneur d’électron (D) et d’un matériau accepteur d’électron (A). La réalisation de ces cellules requiert une optimisation minutieuse de ce mélange et de la morphologie de cette couche photo-active qui en résulte. Cette dernière peut cependant évoluer spontanément vers une ségrégation de phase, généralement délétère pour les performances PV. Une solution possible, et relativement peu étudiée, consiste à lier chimiquement le donneur D et l’accepteur A par un espaceur non-conjugué. Les travaux décrits dans ce manuscrit portent sur la synthèse et la caractérisation d’assemblages moléculaires de type D-σ-A ainsi que leur utilisation comme matériau dit « unique » pour la fabrication de cellules solaires organiques mono composant. Une première famille de dyades et triades à base d’un bloc donneur de type quaterthiophène a été étudiée. Cette partie décrit la méthodologie générale d’assemblage des blocs D et A via une réaction de cycloaddition de type Huisgen. Au cours des chapitres suivant, plusieurs dyades basées sur un bloc donneur « push-pull » ont été synthétisées puis caractérisées. Les performances PV de ces composés ont été évaluées au sein de cellules solaires mono-composant et les meilleurs rendements de conversion, atteignant 1.4 %, rivalisent avec l’état de l’art. / Over the last few years, the development of bulk heterojunction organic solar cells (BHJ OSCs) led to significant increase in photovoltaic (PV) efficiency. Such devices are based on interpenetrated networks of an electron-donor material (D) and an electron-acceptor material (A) constituting the active layer. Nevertheless a careful optimization of the morphology is required to reach high power conversion efficiency. Furthermore, this optimized morphology can evolve towards spontaneous phase segregation which can be detrimental for the PV performances. To circumvent these limitations, a relatively unexplored approach relies on the use of a material where the donor and the acceptor moieties are covalently linked to each other through a nonconjugated π-connector. In this context, the work reported herein describes the synthesis and characterization of various molecular D-σ-A assemblies, as well as their preliminary evaluation as “unique” material for the realisation of single component organic solar cells (SC-OSCs). A first family of dyads and triads, based on quaterthiophene moieties as donor block, was studied. A general methodology to assemble the two D and A blocks via a Huisgen-type click-chemistry is described. Then, in the next chapters, several dyads based on a “push-pull” donor block have been synthesized and characterized. The PV performances of these compounds have been evaluated in SC-OSCs leading to power conversion efficiency up to 1.4 %, a value close to the state of the art.

Au cours de ces travaux de thèse, deux axes d’études ont été développés. Ils consistent d’une part à la synthèse et la caractérisation de nouveaux complexes de bore, visant à être utilisés dans des cellules solaires organiques, ainsi qu’au développement de plateformes d’empilement π, permettant la modulation des propriétés structurales de semi-conducteurs organiques. Ainsi, le rendement de conversion énergétique de cellules solaires utilisant un BODIPY a été amélioré par l’addition de triazatruxènes sur ses positions β-pyrroliques. Le motif BOPHY, complexe di-nucléaire de bore, a été fonctionnalisé puis étudié optoélectroniquement. Le premier exemple d’utilisation d’un BOPHY dans une cellule solaire organique a également été effectué. Deux familles de BODIPYs ont été préparées en vue d’une utilisation dans des cellules solaires à colorant. Leur utilisation au sein d’une même structure a permis d’établir un nouveau record de conversion pour une telle utilisation d’un BODIPY. / During this thesis, boron complexes and π-stacking mediator planar moieties have been synthetized for photovoltaic applications. Thanks to the use of triazatruxene units on β-pyrrolic positions of a BODIPY core, the solar cells photoconversion efficiency has been increased. The BOPHY moiety, a di-nuclear boron complex, has been functionalized and optoelectronically studied. The first example of the use of BOPHY in organic solar cells has been performed. Two families of BODIPYs have also been prepared to be used in dye-sensitized solar cells. A new record of photoconversion efficiency for BODIPY based solar cells has been reached using a co-adsorption of two dyes having complementary absorptions within a unique solar cell.

Ces travaux de thèse ont visé à étudier la fonctionnalisation de complexes mono et ditopique de bore(III), BODIPY et BOPHY, en vue d’une application en cellule solaire organique. Les caractérisations préliminaires des nouveaux matériaux synthétisés ont permis d’identifier les matériaux aux propriétés physico-chimiques les plus adaptées à une telle application. Ainsi, il a été possible d’utiliser pour la première fois un dérivé de BOPHY comme matériau de type p prometteur au sein d’une cellule solaire organique, et un rendement de conversion énergétique de 4,2% a été atteint. La fonctionnalisation orthogonale du 1,3,5,7-tétraméthyles BODIPY a permis de faire passer le rendement de conversion de référence de BODIPY comme matériaux de type p de 4,7 à 5,8%. Enfin, une méthodologie synthétique originale et polyvalente d’obtention de BODIPY α-fusionnés, les BOBIM, a été développée. Présentant à la fois une absorption intense dans le visible et une très forte affinité électronique, ils ont été caractérisés comme matériaux de type n. / A study of the functionalization of boron(III) complexes, BODIPY and BOPHY, was carried out in order to characterize new n and p-type materials for bulk heterojunction organic solar cells. The properties of this materials were investigated through spectroscopic, electrochemical and charges transport analysis, and the most promising candidates were characterized in photovoltaic devices. For the first time a BOPHY derivative was used as p-type materials in such organic solar cell, providing a promising PCE of 4.2%. A study of the orthogonal functionalization of the 1,3,5,7-tetramethyls BODIPY allowed the synthesis and characterization of a new BODIPY based p-type material which exhibits the highest PCE of 5.8% for such material to date. The last chapter of this thesis develops an original and versatile synthetic method to obtain α-fused BODIPY. This family of molecules exhibit both intense absorption in the near-IR and low lying LUMO, and has been hence characterized as n-type materials.