Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté. Small p-type low band-gap semi-conducting molecules are rapidly gaining notoriety as potential replacements for conjugated polymers used in organic photovoltaic devices (OPV) along with n-type fullerene derivatives. As these active compounds often tend to crystallize upon coating, homogeneous, smooth thin-film formation is usually not trivial to obtain. We have devised bulk heterojunction OPVs in which various species of semi-conducting polymers or readily available insulating polymers are used as third-component matrices in order to rectify film inhomogeneity and enhance device performances. Polymers of specific molecular weights (MW) were also synthesised via a controlled Wittig type polymerization process by efficiently controlling the monomer and base ratios, and the effects of the MW variation were correlated with the thin-film morphologies and the resulting electroluminescence performances. In order to follow the evolution of the morphologies and the molecular arrangements, scanning and transmission electronic microscopy (SEM and TEM, respectively) was used, together with atomic force microscopy (AFM), and a new technique was introduced for preparing thin-film samples for imaging based on Si-wafer coating. Motivated by the increasing price of indium and the high cost of ITO-coated substrates, we have also examined ways to recover and recycle the tin-doped indium oxide (ITO) substrates used in these studies via environmentally benign methods.

Keyphrases: Cellules solaires organiques, Photovoltaïque, Diodes organiques électroluminescentes, Matériaux à bande interdite étroite, Petite molécule de type push-pull, Morphologie des films minces, Matrices polymères, Polymères électroluminescents, Gabarit organique, Patron nanométrique, Substrats de NaCl, Gaufre de silicium, Rayon ionique focalisé, Microscopie à transmission électronique, Oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), Recyclage, Rendements quantiques, Réglage d’émission, Goussets polymères, Masse molaire des polymères, Organic solar cells, Photovoltaics, Organic light-emitting diodes, Low bandgap materials, Push-pull small molecules, Thin film morphologies, Polymer matrices, Polymer pockets, Polymer molar mass, Electroluminescent polymers, Emission tuning, Quantum yield, Recycling, Tin-doped indium oxide (ITO), Transmission electron microscopy, Focused ion beam, Silicon wafer, NaCl substrates, Organic templates, Nano-patterning