Optimisation de cellules solaires organiques pour applications indoor innovantes

Discipline

Sciences et ingénierie pour l’information

Classification

Sciences de l'ingénieur,

Informatique, information, généralités

Mots-clés libres

Cellules solaires organiques, Récupération d’énergie indoor, Accepteurs non fullerène, Internet des objets (IoT), Photovoltaïque d'intérieur, Hétérojonction en vrac

Mots-clés

Semiconducteurs organiques,

Informatique omniprésente

Les cellules solaires organiques (OSC) à hétérojonction en volume (BHJ) semblent être des candidates idéales pour alimenter les appareils de l'Internet des objets (IoT) en conditions intérieures en raison de leur compatibilité avec les technologies d'impression à faible coût, leur flexibilité, et leur efficacité de conversion de puissance élevée (PCE) sous faible illumination. De plus, l'adaptabilité des matériaux organiques permet de moduler précisément leurs propriétés optiques et électroniques pour que leur absorption corresponde idéalement aux spectres d’émission des sources d’éclairage de type LED. Cependant, des améliorations supplémentaires de l'efficacité et de la stabilité sont nécessaires pour exploiter leur potentiel. Dans cette thèse, nous avons étudié plusieurs stratégies liées aux matériaux de couches actives pour améliorer les performances des OSC en conditions indoor. Le premier objectif était d’intégrer de nouveaux accepteurs non fullerènes (NFA), notamment à base d'heptazines, pour mieux exploiter la région bleue (400-500 nm) de l’émission des LED blanches, qui reste mal adressées à ce jour. Des dérivés d'heptazine innovants ont été étudiés et intégrés dans les couches actives des OSC dans ce contexte. Bien que des propriétés optiques et morphologiques appropriées aient été observées, ainsi qu’une séparation de charge prometteuse entre les matériaux donneurs et accepteurs, des limitations spécifiques de performance, telles qu’une faible génération de photocourant, ont été mises en évidence. Néanmoins, ce travail jette les bases d'une optimisation supplémentaire des NFA à base d'heptazine pour les applications OSC en intérieur. La deuxième orientation de recherche s'est concentrée sur l'optimisation de la couche active OSC à base du mélange PF2:ITIC, utilisé pour la première en intérieur.. À cette fin, nous avons exploité plusieurs paramètres cruciaux tels que la sélection du solvant, l'épaisseur de la couche active et le rapport donneur/accepteur (D:A). Grâce à des techniques spécifiques de caractérisation en champ proche, nous avons identifié le chlorobenzène (CB) comme le solvant le plus efficace pour traiter le mélange PF2:ITIC, produisant des couches actives lisses et uniformes avec d'excellentes caractéristiques morphologiques. L'augmentation de l'épaisseur de la couche active de 100 nm à 270 nm a considérablement amélioré l'absorption de la lumière dans la région bleue, ce qui a entraîné un photocourant plus élevé, permettant ainsi de démontrer des dispositifs atteignant un PCE allant jusqu'à 11,95 % avec un VOC élevé de 0,73 V sous un éclairage LED chaud à 1000 lux. Ce travail démontre finalement l'importance d'une conception moléculaire innovante et de l'optimisation du système pour améliorer les performances des OSC pour les applications intérieures.