Projet ANR-11-BS08-0009 – PICASSO : Auto-organisation et optimisation de la génération de charges dans des  co-oligomères à blocs donneur-accepteur pour des applications photovoltaïques
Programme : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Stephane MERY (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE)
Partenaires : Institut Charles Sadron; Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie; Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg; Laboratoire d'Ingénierie des Polymères pour les Hautes Technologies
Montant : 554519.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Optimisation de cellules solaires «plastiques«Les cellules solaires «plastiques« présentent de nombreux avantages (coût, légèreté, flexibilité) mais des efforts doivent encore être menés pour résoudre certains verrous. Dans cette démarche, le projet vise l'optimisation de la couche active des dispositifs (un matériau organique) dans le but de convertir efficacement la puissance lumineuse en puissance électrique.
Optimisation de la couche active des cellules solaires plastiques pour un meilleur rendement de conversionLes matériaux organiques présentent un fort potentiel dans le développement de cellules solaires dites «plastiques«. Par rapport à la technologie à base de silicium, les modules photovoltaïques sont plus légers, flexibles et surtout permettent une mise en œuvre plus simple et moins couteuse. Bien que des avancées considérables aient été obtenues ces dernières années, des recherches doivent encore être menées pour lever certains verrous qui freinent encore l'essor des matériaux organiques pour le photovoltaïque.Dans les cellules solaires «plastiques«, les matériaux organiques ont un rôle essentiel puisqu’ils constituent  la couche active responsable de l'absorption de la lumière et de sa conversion en courant électrique. La couche active organique est habituellement constituée d'un mélange de composés, appelés donneurs (D) et accepteurs (A), qui se ségrégent pour former des domaines interpénétrés de «D« et «A«. La morphologie de ce réseau est de grande importance car elle détermine notamment les interfaces D/A (sièges de la création des charges) et les canaux de conduction pour le transport des charges jusqu'aux bornes de la cellule. Le manque de contrôle de la morphologie de ce réseau (taille, orientation...) constitue donc une limitation majeure dans la performance des cellules solaires «plastiques«.Le projet PICASSO vise l'amélioration de l'efficacité de cellules photovoltaïques «plastiques« par l'optimisation de la couche active organique. Plus particulièrement; il s'agit de contrôler à la fois la morphologie de cette couche active et le processus de photo-génération des charges libres.
Contrôle de la morphologie de la couche active et de la photo-génération des charges libresLe projet PICASSO vise l'optimisation de la couche active organique par le contrôle de sa morphologie et par le contrôle de la photo-génération des charges libres.La démarche utilisée pour structurer la couche active organique consiste à utiliser non plus les composés D et A en tant que constituants d’un mélange mais à les introduire ensemble dans un composé unique (un co-oligomère à bloc). La structure chimique de la molécule est telle qu'une organisation spontanée des blocs D et A est attendue, conduisant à une structure idéale de réseau lamellaire alterné D/A.La démarche utilisée pour améliorer la proportion de charges photo-générées ainsi que leur durée de vie, consiste à adapter judicieusement la composition chimique et l'enchaînement des différentes parties de la molécule.
Résumé de la soumission : Le projet PICASSO vise la synthèse, la caractérisation et l’utilisation de matériaux photovoltaïques innovants, i.e. des co-oligomères constitués de blocs pi-conjugués donneur (D) et accepteur (A) d’électrons, qui présentent à la fois i) des états de charges séparés intramoléculaires à longue durée de vie et ii) une nanostructuration des blocs A et D en lamelles alternées A/D. Les co-oligomères sont conçus de manière à constituer une couche active mono-composante d’un dispositif photovoltaïque à photogénération de charge efficace. Plus précisément, en introduisant dans le groupe donneur un gradient de densité électronique (par l’assemblage d’unités moléculaires d’affinité électroniques variables), on vise à améliorer la séparation spatiale des polarons de charges opposées, de manière à créer un transfert de charge intermoléculaire photo-induit. Il est ainsi attendu que le caractère à transfert de charge intramoléculaire du bloc donneur réduise le taux de recombinaison géminée et augmente le temps de vie des porteurs de charges photogénérés. Par ailleurs, la nanostructuration en phase lamellaire D/A doit permettre d’optimiser le transport des porteurs au sein des lamelles A et D et faciliter ainsi la collecte des charges au sein d’un dispositif photovoltaïque.Le cœur de ce projet fait appel à des techniques et procédés élaborés dans des domaines aussi divers et complémentaires que la synthèse organique, la modélisation moléculaire, la spectroscopie d’absorption femto-seconde résolue en temps, la microscopie électronique à transmission, ou encore l’élaboration et la caractérisation de dispositifs photovoltaïques. Les retombées attendues de ce projet sont :i). un contrôle renforcé du mécanisme de photogénération des charges à l’interface moléculaire D/A,ii). une capacité à contrôler, via la structure moléculaire, le taux de recombinaison des états de charges séparées,iii). la stabilisation d’une hétérojonction D/A dans une morphologie lamellaire bien définie,iv). la rationalisation des propriétés de transport de charge ambipolaire,v)  l’élaboration de dispositifs photovoltaïques basés sur une couche active constituée d’un matériau mono-composant auto-assemblé.Ce projet est centré principalement sur l’étude fondamentale des matériaux fonctionnels tout en abordant l’étude de leurs propriétés en vue de leur application. Ce projet de recherche est par conséquent fortement multidisciplinaire et repose sur les expertises complémentaires apportées par les quatre laboratoires partenaires situés sur le campus CNRS de Cronenbourg à Strasbourg : 1.	les départements des matériaux organiques (DMO) et d’optique non-linéaire (DON) de l’Institut de Physique et de Chimie des Matériaux (IPCMS, UMR 7504), 2.	le Laboratoire d’Ingénierie des Polymères pour les Hautes Technologies (LIPHT, EA 4379), 3.	l’Institut Charles Sadron (ICS, UPR 22) et 4.	l’Institut d'Électronique du Solide et des Systèmes (INESS, UMR 7163).
Résultats : A venir
Perspectives : A venir
Publications et brevets : A venir