Towards new pi-conjugated systems for photovoltaic applications
Vers des nouveaux systèmes pi-conjugués pour des applications photovoltaïques
Résumé
Among renewable energies, the sunlight has by far the highest theoretical potential to meet the
worldwide need in energy. Photovoltaic devices are thus currently the subject of intense research for
low-cost conversion of sunlight into electrical power. In particular, organic photovoltaics have emerged
as an interesting alternative to produce electricity due to their low manufacturing cost compared to
silicon solar cells, their mechanical flexibility and the versatility of the possible chemical structures. In
this dissertation, we focused our research on the development of new organic -conjugated materials
for organic solar cells applications. Two types of solar cells have been studied during this work: bulk
heterojunction and dye-sensitized solar cells. The charge transfer leading to the photocurrent is usually
based on (i) a polymer donor and a fullerene acceptor in BHJ solar cells, such as the widely studied
poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) materials and (ii) a
metal oxide (titanium oxide) sensitized with a dye and an electrolyte in DSSCs. Despite power conversion
efficiencies have reached 5 and 13 % respectively for these two types of devices, they still display several
drawbacks that limit their commercialization. P3HT displays a narrow absorption of the solar spectrum
thus limiting the conversion efficiency. To overcome this limitation, we combined P3HT with
chromophores, i.e. porphyrins, having an extending absorption. Then, to ensure better charge transfer
and extraction within the device, a cathode interfacial layer based on cationic -conjugated
polyelectrolytes was added, Finally, dyes extracted from the biomass (chlorophyll derivatives) were
synthesized to replace the expensive ruthenium dyes in DSSCs. Since liquid electrolytes are volatile and
corrosive, which considerably limit the DSSCs stability, solid polymer electrolytes were also developed as
an alternative.
Le développement des énergies renouvelables est aujourd’hui devenu un enjeu mondial majeur comme
alternative aux énergies fossiles dans la production d'énergie. Parmi elles, l’énergie solaire est
considérée comme la source la plus prometteuse, permettant de couvrir l’ensemble des besoins
énergétiques liés à l’activité humaine. Les cellules photovoltaïques les plus performantes aujourd’hui,
entre 16 et 18 % en modules, sont composées de silicium, un semi-conducteur inorganique. Cependant,
leur coût de production élevé a nécessité le développement de matériaux alternatifs moins couteux.
Parmi les voies explorées, les cellules solaires organiques ont émergé comme une alternative
prometteuse pour produire l’électricité à faible coût. Le sujet de cette thèse s’intègre dans ce contexte
de recherche. Deux types de cellules solaires ont été étudiés : les cellules à hétérojonction en volume
(BHJ) et sensibilisées au colorant (DSSCs). Le courant photogénéré repose généralement (i) dans les
cellules BHJ, sur le transfert entre de charge entre un polymère donneurs et un accepteur
d’électrons(fullerène), tels que le couple poly(3-hexyl)thiophène (P3HT) et [6,6]-phényl-C61-butanoate de
méthyle (PCBM), et (ii) dans les DSSCs, la sensibilisation de la surface d’un semi-conducteur inorganique
tel que l’oxyde de titane par un colorant et la présence d’un électrolyte, jouant le rôle de médiateur
redox. Bien qu’ayant atteint des rendements de photoconversion respectifs de 5 et 13 %, ces cellules
nécessitent des améliorations pour une commercialisation à grande échelle. Tout d’abord, les
performances des cellules BHJ à base de P3HT sont considérablement limitées par sa faible absorption,
ne couvrant pas la globalité du spectre solaire. Afin de pallier ce problème, nous avons combiné le P3HT
avec des chromophores, i.e. des porphyrines, ayant une absorption plus étendue. Ensuite, pour assurer
une meilleure extraction des charges au sein du dispositif, une couche interfaciale cathodique à base de
polyélectrolytes -conjugués a été ajoutée. Enfin, des colorants extraits de la biomasse ont été préparés
afin de remplacer les colorants coûteux à base de ruthénium. En outre, les électrolytes liquides étant
volatils et corrosifs, ce qui limite considérablement la stabilité des DSSCs, des électrolytes solides à base
de polymères ont été étudiés comme alternative.