organiques à hétérojonction volumique
III. 1.1 - Etat de l’art des matériaux donneurs organométalliques
Lors de ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à un autre type de cellule solaire : les cellules solaires organiques à hétérojonction volumique. Depuis les premiers dispositifs développés par Tang en 1986 qui présentaient 1 % de rendement de conversion photovoltaïque,[1] de nombreux travaux de recherche sur le design des molécules et sur la structure des dispositifs ont permis de grandement améliorer les performances. Très récemment une cellule solaire organique tandem a ainsi atteint 17,3 % d’efficacité.[2]
Une idée préconçue sur les cellules solaires organiques mène souvent à s’y référer comme des cellules solaires « polymères », étant donné que la grande majorité des recherches dans la bibliographie se focalise sur un système de type polymère/PCBM.[3] Les performances de ce type de cellules solaires dépendent des propriétés d’absorption des matériaux, du taux de dissociation des excitons et aussi de l’efficacité de collecte des charges. La longueur de diffusion des excitons est donc un paramètre important, or cette longueur dépend de leur mobilité et de leur durée de vie qui doivent être suffisantes pour que l’exciton atteigne une jonction. Pour augmenter la longueur de diffusion des électrons il faut soit synthétiser des dérivés organiques à haute mobilité, ou bien introduire dans la structure des matériaux à longue durée de vie d’exciton. Dans ce second cas le principe est d’exploiter les transferts de charges par le biais de l’état triplet et non singulet de l’exciton,[4–6] ce qui a mené à l’étude de polymères incluant des atomes lourds, notamment des atomes de platine. De nombreux travaux de recherche se sont focalisés sur le développement de polymères à base de platine-acétylure comme donneur d’électron.[7–12] Parmi ces polymères, le matériau MP6 développé par Wong,[9] représenté Figure III.1, a permis d’atteindre 4,10 % d’efficacité, pour des valeurs de VOC de 820 mV, de JSC de 13,10 mA.cm-2 et de FF de 37 %. Ce résultat montre le potentiel des dérivés polymères d’acétylure de platine.
Figure III.1 Structure du polymère de type Pt-acétylure MP6[9]
Malgré des résultats intéressants, la synthèse et la purification des polymères conjugués sont difficilement reproductibles, il en va donc de même pour les performances. En effet après
réaction, la formation de chaînes de différentes longueurs impose de réduire la polydispersité en triant ces différentes chaînes. De plus, il est en général nécessaire par un autre traitement de modifier certains groupements terminaux en bouts de chaînes qui peuvent créer des défauts dans la couche active, et par conséquent diminuer les performances photovoltaïques. Une alternative aux matériaux polymères, pour ainsi réduire et faciliter les étapes de synthèse, est de développer des matériaux moléculaires solubles pour réaliser des cellules solaires organiques à hétérojonction volumique à « petites molécules » solubles.
Les mêmes groupements organiques que ceux utilisés pour les polymères conjugués peuvent être aussi utilisés pour synthétiser des matériaux moléculaires donneurs de plus petite taille. Des petites molécules à base de Pt-acétylure ont par conséquent été étudiées comme par exemple le composé PT1 synthétisé et étudié par Dai et al., dont la structure est représentée
Figure III.2, qui a permis d’atteindre 2,47 % d’efficacité pour des valeurs de JSC de 7,10 mA.cm -2, de VOC de 830 mV et de FF de 40 %, avec le PC70BM comme matériau accepteur. Ce matériau
donneur présente une bande large d’absorption dans le visible, pour un maximum d’absorption à 526 nm et un haut coefficient d’absorption de 55200 L.mol-1.cm-1.[13]
Figure III.2 Structure du complexe de type Pt-acétylure PT1[13]
Similaires aux chromophores bimétalliques présentés dans le chapitre II de ce rapport de thèse, des matériaux donneurs comportant deux centres métalliques de type Pt-acétylure ont été développés. Ainsi les travaux de Zhao et al. ont permis d’atteindre avec le matériau donneur
BTD-Pt-T3, représenté Figure III.3, une efficacité de 3 %, pour des valeurs de JSC de 8,45 mA.cm-2, de VOC de 820 mV et de FF de 43 %.[14]
D’autres types de complexes ont été aussi adaptés en petite molécule pour cellules solaires organiques, comme par exemple les porphyrines de zinc. C’est le cas de la porphyrine
VC117 développée par Kumar et al.,[15] représentée Figure III.4, qui a permis d’atteindre un rendement de conversion photovoltaïque de 5,50 % avec des valeurs de JSC de 11,67 mA.cm-2, de VOC de 760 mv et FF de 62 %. Ce matériau donneur présente une bande d’absorption décalée vers le proche infrarouge, le maximum d’absorption étant à 682 nm pour un coefficient d’extinction molaire de 73000 L.mol-1.cm-1.
Figure III.4 Structure du chromophore de type porphyrine de zinc VC117[15]
Dans le cadre des travaux de recherche de cette thèse nous avons décidé d’étudier des matériaux donneurs moléculaires de type complexes organométalliques Ru-diacétylures, pour une application en cellule solaire organique à hétérojonction volumique. L’insertion d’un ruthénium à la place de platine permettrait d’obtenir un matériau absorbant plus vers le rouge et par conséquent une absorption plus large et plus complète de la lumière solaire.
Nous avons trouvé dans la littérature qu’un seul exemple d’étude d’un matériau donneur moléculaire incluant le motif [Ru(dppe)2]. Il s’agit du dérivé développé et étudié par Colombo et al., représenté Figure III.5, constitué de deux motifs [Ru(dppe)2] séparés par un motif central accepteur 2,1,3-benzothidiazole et deux unités thiophènes. Ce colorant, en association avec un accepteur fullerène dans une cellule à hétérojonction volumique a conduit à un de rendement de conversion de 0,1 %.[16]
Dans un premier temps nous avons décidé d’étudier une série de matériaux donneurs mono-métalliques et symétriques dont la structure est de type A-π-[Ru]-π-A, en modifiant exclusivement le groupement à caractère accepteur (A). Puis comme pour les travaux du chapitre II, nous avons étudié le comportement d’un matériau donneur doté de deux centres métalliques. Nous nous sommes donc intéressés à un colorant avec une structure de type D-π-[Ru]-π-[Ru]-π-D, avec un motif central auxiliaire isoindigo, et des groupements donneurs (D) carbazoles. Cette étude concernant un type de cellules solaires différent de celui présenté dans le chapitre II, les stratégies de fabrication, de caractérisation et d’optimisation des dispositifs ne sont pas les mêmes.