Performances photovoltaïques

Tableau 1. Propriétés optoélectroniques des onze dérivés curcuminoïdes. La longueur d’onde de l’absorption maximale est donnée pour les spectres des films minces. DFT : Théorie de la fonctionnelle de la densité, CV : voltampérométrie cyclique.

Molécule ^HOMO DFT (eV) HOMOCV (eV) LUMOCV (eV) EgCV (eV) Egopt. (eV) λmax (nm) CN - -6,07 -3,68 2,39 2,34 446 Ether-8C -6,1 -6,06 -3,81 2,25 2,07 452 Ether-1C -6,1 -6,10 -3,88 2,22 2,07 500 Anthra -5,8 -6,15 -3,99 2,16 1,72 582 Carba -5,9 -6,07 -4,05 2,02 1,97 540 Thio-1C-Ph -5,7 -5,92 -4,06 1,86 1,64 642 TPA-H -5,5 -5,65 -3,96 1,69 1,75 604 TPA-Cl -5,6 -5,67 -4,11 1,56 1,64 662 TPA-Ph -5,5 -5,60 -3,97 1,63 1,75 624 TPA-Ester -5,6 -5,76 -3,99 1,77 1,71 622 TPA-But -5,5 -5,71 -3,85 1,86 1,76 612

Les spectres d’absorption en film mince de tous les dérivés curcuminoïdes sont présentés en Appendice 2.

4. Performances photovoltaïques

4.1. Cellules solaires à hétérojonction planaire

Les performances photovoltaïques de ces onze dérivés curcuminoïdes ont été évaluées. Pour cela, une première étape a été de fabriquer des cellules solaires à hétérojonction planaire. Comme nous l’avons vu au Chapitre 1, cette structure n’est pas optimale pour la séparation des charges. Cependant, contrairement à l’hétérojonction volumique qui nécessite un long travail de formulation avant d’être opérationnelle, l’hétérojonction planaire permet de se rendre compte rapidement si une molécule présente un effet photovoltaïque ou non, ce qui était notre premier objectif. Des cellules avec la structure ITO/PEDOT:PSS/dérivé curcuminoïde/C60/Ca/Al ont été fabriquées. Pour CN le donneur était une phtalocyanine de zinc (ZnPc) et le dérivé curcuminoïde a joué le rôle d’accepteur à la place du C60. La structure utilisée était ITO/ZnO/CN/ZnPc/MoO3/Ag. Les performances photovoltaïques obtenues sont récapitulées dans le Tableau 2. Il est visible de prime abord dans ce tableau que certaines molécules ne présentent pas d’effet photovoltaïque. C’est le cas d’Ether-8C et d’Ether-1C. Ces semi-conducteurs organiques présentent des niveaux HOMOs trop profonds, pour permettre un transfert de charge efficace avec le C60 (HOMO = -6,1 eV [141]). Par ailleurs, les

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groupements éthers utilisés sont faiblement donneurs d’électrons, ce qui limite l’effet de transfert de charge intramoléculaire qui devrait faire la force de ces molécules comme expliqué dans le Chapitre 1. De plus, leurs faibles propriétés filmogènes nous ont obligé à utiliser du chloroforme comme solvant, ce qui à l’époque, ne nous permettait pas d’obtenir des couches homogènes comme le montre les épaisseurs mesurées. Enfin, leur large bande interdite n’est pas en faveur de l’absorption de photons d’une large gamme de longueur d’ondes. Pour toutes ces raisons, l’étude d’Ether-8C et d’Ether-1C a été abandonnée.

Tableau 2. Performances photovoltaïques de cellules solaires à hétérojonction planaire fabriquées à partir de dérivés curcuminoïdes.

Molécule ^Epaisseur (nm) JSC (mA/cm²) VOC (V) ^FF η (%) CN 61 ± 3 0,90 ± 0,02 0,20 ± 0,05 0,28 ± 0,02 0,05 ± 0,03 Ether-8C 53 ± 27 0,01 ± 0,01 0,04 ± 0,03 0,31 ± 0,07 0 Ether-1C 164 ± 43 0,07 ± 0,01 0,42 ± 0,09 0,31 ± 0,01 0 Anthra 16 ± 7 1,25 ± 0,05 0,52± 0,06 0,41 ± 0,01 0,27 ± 0,03 Carba 33 ± 4 0,55 ± 0,01 0,30 ± 0,03 0,32 ± 0,03 0,05 ± 0,01 Thio-1C-Ph 13 ± 3 1,91 ± 0,13 0,08 ± 0,07 0,30 ± 0,01 0,05 ± 0,01 TPA-H 24 ± 4 2,59 ± 0,02 0,69 ± 0,03 0,43 ± 0,01 0,77 ± 0,04 TPA-Cl 34 ± 11 1,72 ± 0,16 0,60 ± 0,07 0,39 ± 0,05 0,42 ± 0,11 TPA-Ph 44 ± 6 1,19 ± 0,09 0,56 ± 0,07 0,36 ± 0,03 0,24 ± 0,05 TPA-Ester < 40 nm 2,77 ± 0,05 0,86 ± 0,04 0,50 ± 0,05 1,20 ± 0,19 TPA-But 44 ± 5 2,50 ± 0,17 0,77 ± 0,06 0,43 ± 0,04 0,83 ± 0,17

D’autres molécules présentent des performances photovoltaïques très faibles avec des rendements de l’ordre de 0,05 %.

C’est le cas de la molécule CN tout d’abord. Cette dernière a été abandonnée car nous souhaitions nous concentrer sur des matériaux donneurs et performants. Son niveau LUMO très haut ne nous permettait par ailleurs pas de l’utiliser dans un système entièrement composé de dérivés curcuminoïdes.

La molécule Carba doit ses faibles performances à sa grande bande interdite qui limite son courant de court-circuit (JSC)mais surtout à sa forte cristallinité comme l’illustre la Figure 25 a).

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Figure 25. Films observés au microscope optique de a) Carba (× 10) et b) Thio-1C-Ph (× 50). Les films ont été préparés à partir d’une solution à 10 mg/mL dans du chlorobenzène. La figure en insert

de b) a été préparée à partir d’une solution de concentration 5 mg/mL dans du chlorobenzène.

Cette dernière forme des points de démouillage et induit de nombreux court-circuits qui diminuent la tension de circuit ouvert (VOC) des cellules solaires [142]. Du fait de sa forte agrégation et de ses propriétés optiques moins intéressantes que celles de d’autres dérivés curcuminoïdes, l’étude de cette molécule a été abandonnée.

Enfin, la molécule Thio-1C-Ph, tout comme la précédente, voit ses performances photovoltaïques limitées par le VOC du fait de la présence de points de démouillage causés par la forte cristallinité du matériau et induisant de forts courants de fuite. Cependant, le JSC mesuré n’est pas négligeable. De plus, ce dérivé curcuminoïde possède une faible bande interdite, 1,64 eV, ce qui en fait un composé intéressant pour augmenter la collecte des photons vers le proche infrarouge. Etant donné ceci, d’autres améliorations ont été testées avec ce dernier et sont décrite dans la partie 6.

D’autres molécules ont montré des résultats encourageants et un effet photovoltaïque prometteur. Il s’agit de la molécule Anthra. Cette dernière présente un rendement moyen de 0,27 %. Ceci nous a poussés à poursuivre notre étude de cette molécule. Les résultats obtenus sont présentés dans la partie 5.

Enfin, toutes les molécules avec des groupements triphénylamines ont montré un effet photovoltaïque prononcé quel que soit le groupement en position méso. En prenant TPA-H comme référence, les observations suivantes peuvent être faites. Tout d’abord pour TPA-Cl, la présence d’un atome de chlore en position méso diminue de manière significative le niveau LUMO du fait de son caractère électroattracteur. Cependant, ceci ne se traduit pas par une augmentation du JSC. Des performances similaires sont obtenues avec TPA-Ph. Les molécules TPA-Ester et TPA-But ont un niveau HOMO plus profond que celui de TPA-H et en conséquence, ont des VOC plus élevés (0,86 V et 0,77 V respectivement contre 0,69 V pour

TPA-H). Les JSC quant à eux sont similaires, mais pour des épaisseurs plus élevées. Ces

premiers résultats encourageants nous ont conduits à continuer à travailler avec cette famille de matériaux. Les résultats obtenus sont présentés dans la partie 7.

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4.2. Cellules solaires à hétérojonction volumique

A la suite des cellules solaires à hétérojonction planaire, les molécules CN, Ether-8C, Ether-1C et Carba ont été éliminées et des cellules solaires à hétérojonction volumique ont été fabriquées à partir des dérivés curcuminoïde restant et du PC61BM¹ selon la structure directe ITO/PEDOT:PSS/dérivé curcuminoïde:PC61BM/Ca/Al et testées. Les résultats sont présentés et discutés plus en détail dans les parties suivantes.

5. Le dérivé curcuminoïde avec des groupements