Ce travail de thèse a concerné l’étude et la fabrication de cellules photovoltaïques organiques pour leur utilisation dans le projet « Verre Digital » de la Société Essilor. Ces cellules ont été développées pour servir d’alimentation à des composants actifs, par exemple pour orienter des cristaux liquides. Pour cela, le cahier de charge prévoyait deux critères importants. Le premier concernait la tension à circuit ouvert VCO qui devait être voisine de 1 Volt. Le second prévoyait une bonne
transparence (environ 80 %) de la cellule sur tout le spectre de la lumière visible.
Nous avons choisi de travailler avec des matériaux organiques originaux, qui ont été synthétisés soit au Centre de Recherche Paul Pascal à Pessac, soit au Laboratoire de chimie de Coordination à Toulouse. Pour satisfaire le second critère, à la fois les électrodes et les matériaux organiques devaient être transparents. Or, au début de ce travail de recherche, parmi les molécules organiques déjà synthétisées par nos partenaires chimistes, nous ne disposions en tout et pour tout que d’un seul matériau de type donneur (le T6O2) qui n’absorbait pas sur le spectre visible. En conséquence le début du travail de thèse s’est intéressé à satisfaire le premier critère de (VCO élevé), sans s’occuper de la transparence de la cellule. Pour les matériaux
accepteurs, nous avons utilisé des molécules (Bp3I5, PTCTE) qui ne satisfaisaient pas la seconde condition du cahier de charge. Tous ces matériaux ont déjà été utilisés pour des études antérieures au laboratoire Laplace. Ils avaient déjà montré leur potentialité à délivrer une tension VCO élevée. Nous avons cherché à améliorer
les conditions de mise en œuvre pour leur possible utilisation dans le projet étudié. Nous avons surtout cherché à augmenter la valeur de VCO et à diminuer la résistance
série des cellules photovoltaïques. Pour cela nous avons inséré une couche de PEDOT:PSS entre l’anode en l’ITO et le donneur. Nous avons également placé une fine couche du BCP entre l’accepteur (Bp3I5 ou PTCTE) et la cathode en aluminium. L’utilisation de ces deux couches supplémentaires a permis d’augmenter la tension à circuit ouvert de 0.6 V à 1 V et de 1V à 1.5 V pour les cellules à base de T6O2/Bp3I5 et T6O2/PTCTE respectivement.
Nous avons cherché à comprendre les facteurs physiques qui déterminent la valeur élevée de VCO dans nos cellules en configuration planaire. Nous avons montré
que le facteur le plus important était la position respective des niveaux d’énergie des matériaux (ELUMOA-EHOMOD). La nature des électrodes, et plus particulièrement le
travail de sortie de l’anode, est également un paramètre qui détermine la valeur de VCO. Nous avons étudié son influence en utilisant trois types différents de
PEDOT:PSS pour réaliser des films directement déposés sur l’anode en ITO. Nous avons montré par des mesures d’électroabsorption (EA) que le travail de sortie du PEDOT:PSS augmentait en fonction du pourcentage de dopage en PSS.
Pour la réalisation des électrodes transparentes, nous avons montré qu’il était possible de remplacer la cathode en aluminium par de l’ITO. Il a été déposé par pulvérisation cathodique en mode RF au Laboratoire de NanoMagnétisme pour l’Hyperfréquence (LNMH). Pour cela nous avons déposé une couche de PEDOT:PSS (Baytron P VP AI 4083) qui présente la plus faible conductivité parmi les différents grades disponibles. Ce film, directement situé sur l’ITO d’anode, a permis d’éviter les courts-circuits entre les deux électrodes. Les cellules fabriquées avec une cathode en ITO ont présenté les mêmes caractéristiques que celles réalisées avec une cathode en aluminium. Comme cette procédure de dépôt est mal adaptée à une possible industrialisation, nous avons remplacé l’ITO par du PEDOT:PSS (Baytron PH 500), un polymère conducteur moins résistif que le précédent. Pour le déposer, il a été mélangé avec un solvant, l’objectif étant de contrôler la valeur de sa résistivité. En utilisant le DMSO ou l’EG, la résistivité a diminué de 2 Ω.cm à 2,5.10-3Ω.cm. L’obtention d’un film mince de ce PEDOT :PSS modifié n’a été possible qu’avec l’utilisation d’un surfactant comme le dodécyl sulfate de sodium qui a abaissé son énergie de surface.
Si ce travail doit se poursuivre, nous suggérons d’utiliser des matériaux accepteurs qui absorbent dans l’ultraviolet, comme par exemple le coronène tetraimide. Une solution technologique alternative serait l’intégration des cellules photovoltaïques dans les murs des pixels microstructurés, en utilisant des méthodes de photolitographie [87,88], plutôt que de recouvrir toute la surface du verre ophtalmique. Enfin une étude de l’encapsulation des composants devra être
entreprise pour leur permettre d’atteindre une durée de vie compatible avec l’application envisagée.
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Dans le contexte de la production d’énergie renouvelable, les cellules photovoltaïques organiques présentent certains avantages comme un faible coût de fabrication et la possibilité d’obtenir de grandes surfaces sur substrats souples et transparents. Elles peuvent également être utilisées dans des nouvelles applications comme le démontre ce travail de thèse. Plus concrètement, ce manuscrit décrit l’étude de la possibilité d’utiliser ces cellules dans le projet verre digital Essilor. La question posée est : est-ce que les cellules photovoltaïques organiques peuvent servir comme source d’énergie embarquée dans les lunettes du futur ? Dans cette application, les deux paramètres les plus importantes sont : 1) la tension à circuit ouvert qui doit être la plus élevée possible (de l’ordre de 1 V), afin de pouvoir, par exemple, orienter des cristaux liquides et 2) une transparence acceptable pour les intégrer sur les verres des lunettes. La tension de circuit ouvert élevée a été obtenue en utilisant des cellules déjà réalisées au laboratoire, mais qui ont été améliorées par l’utilisation de PEDOT:PSS et de BCP. En ce qui concerne le deuxième paramètre, l’aluminium de la cathode a été remplacé par des matériaux transparents comme l’oxyde d’indium et d’étain (ITO) et le PEDOT:PSS.
Mots-clé : Cellules photovoltaïques organiques, Tension a circuit ouvert élevée, PEDOT :PSS, Matériaux organiques transparent, électrodes transparentes.
TRANSPARENT ORGANIC SOLAR CELLS
In the context of the renewable energy production, organic solar cells enjoy certain advantages like low production costs and the possibility of obtaining large surfaces on flexible and transparent substrates. They can also be used in new applications as we demonstrate in this thesis. More concretely, this work describes the possibility of using these cells in the Essilor “digital glass” project. The question is: can the organic solar cells prove to be useful as an energy source in future eye-glasses spectacles? In this application, the two most important parameters are: 1) the open circuit voltage, which should be high (around 1 V) in order to be able to orient the liquid crystals, for example, and 2) an acceptable level of transparency to integrate them on eye-glasses. High open circuit voltage was obtained by using laboratory produced cells, improved by using PEDOT: PSS and BCP. As for the second parameter, the aluminium of the cathode is replaced by transparent materials such as indium tin oxide (ITO) and PEDOT: PSS.