Synthesis of Conjugated Polymers and Adhesive Properties of Thin Films in OPV Devices

La production d’energie avec des cellules photovoltaiques organiques (OPV) est une des applications les plus prometteuses des semi-conducteurs organiques, en raison de leur compatibilite avec les substrats flexibles permettant des produits legers, peu chers et decoratifs. Pendant longtemps, poly(3-hexylthiophene) (P3HT) a ete le polymere de choix dans l’OPV combine au [6,6]-phenyl-C61-butanoate de methyle (PC61BM) comme accepteur. Toutefois, des recherches recentes ont porte sur des polymeres avec meilleures absorption et processabilite, qui peuvent assurer des rendements et des durees de vie plus eleves. Des rendements de conversion en puissance (PCE) au-dessus de 11% ont recemment ete demontres. Cette these rapporte sur la synthese et la caracterisation de deux series de polymeres dits a faible bande interdite, LBGs "push-pull" (ou donneur-accepteur), constitues de l'unite donneuse 4,4-bis(2-ethylhexyl)-5,5'-dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole (DTS) combinee au 3,6-dithiophen-2-yl-2,5-dihydro-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (DPP) ou au 5,7-di(thienyl)thieno[3,4-b]pyrazines (DTP), comme unite acceptrice. Toutes les molecules et les polymeres ont ete caracterises chimiquement et leur proprietes optoelectroniques, morphologiques et photovoltaiques ont ete determinees. La serie DTS-DPP a ete choisie parce qu'elle est representative d'un grand nombre de polymeres LBG et a fourni un modele facilement accessible pour evaluer l'importance de la chaine laterale utilisee sur leur proprietes optoelectroniques et thermiques. Les premieres etudes sur les dispositifs a base de DTS-DPP:PC61BM ont ete menees, pour determiner les proprietes photovoltaiques. Le meilleur dispositif permet d’obtenir un PCE de 1,7% avec JSC de 5,9 mA cm-2, VOC de 0,54 V et FF de 0,58. La serie DTS-DTP a ete choisie pour la stabilite chimique elevee des deux unites et pour la facilite de substitution des groupes lateraux. La polymerisation a partiellement abouti, en donnant seulement des oligomeres. La caracterisation chimique a pu etre effectuee, mais leur application dans l’OPV n'a pas ete exploree. En termes de stabilite, les mecanismes de defaillance electrique des dispositifs OPV ont ete etudies, montrant une meconnaissance de leur stabilite mecanique. Les contraintes caracteristiques de chaque couche mince presentes dans les cellules solaires organiques constituent la force motrice a l’origine de la delamination des interfaces faibles ou meme leur decohesion, causant une perte de l'integrite et des performances du dispositif. Une technique pour sonder les couches ou les interfaces fragiles dans les cellules solaires polymere:fullerene est presentee. Elle a ete developpee par l'etablissement d'un nouveau set-up pour le test pull-off, developpe en utilisant un dispositif a geometrie inverse, de structure verre/ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/PEDOT:PSS/Ag. Les dispositifs delamines ont montre que le point le plus faible est localise a l'interface AL/HTL, en bon accord avec la litterature. La technique a ete etendue en variant les deux couches sensibles, en utilisant differents polymeres LBG pour l’AL (PSBTBT et PDTSTzTz) en combinaison avec deux formulations de PEDOT:PSS, CleviosTM HTL Solar a base d'eau et un nouveau HTL Solar 2 a base de solvant organique. Une difference entre la contrainte a la rupture des dispositifs avec differentes combinaisons de AL et HTL est visible, suggerant differents chemins de fracture, tel que confirme par la caracterisation de surface et qui pourrait etre correlee avec la difference de comportement de la couche active avec les deux formulations de PEDOT:PSS. Une autre voie adoptee, a ete d’introduire une couche d’interface de copolymere a blocs amphiphile afin d'ameliorer la compatibilite des deux couches. Cette strategie n'a pas abouti et la nouvelle architecture presente une adhesion reduite. La poursuite de l’amelioration des procedes de fabrication de ces dispositifs pourrait faire de cette nouvelle architecture, une alternative viable.