Soutenance de thèse de Riva ALKARSIFI

Les cellules solaires sont considérées comme l'un des principaux dispositifs de conversion d'énergie grâce à l'effet photovoltaïque. Ce domaine connaît actuellement une croissance rapide et peut devenir une source majeure d'énergie propre et renouvelable à l'avenir. Les cellules solaires organiques (CSOs) sont l'une des générations prometteuses du photovoltaïque et cette thèse traite de la synthèse chimique de nouveaux nanocristaux à base de métaux et de l'incorporation de ces matériaux, par voie liquide, comme couches de transport de trous dans les cellules solaires organiques. La cellule solaire organique est composée d’un empilement de couches, avec une couche photo-active composée d’un mélange de molécules, aux propriétés à la fois de donneurs et accepteurs d’électrons, qui est comprise entre deux couches d’interface, l’une pour collecter les électrons (CEE) et l’autre pour collecter les trous (CET). L’une des stratégies importantes pour améliorer les performances des dispositifs consiste en l'incorporation de couches interfaciales appropriées. Celles-ci jouent plusieurs rôles et sont le plus souvent préparées par des méthodes de dépôt sous vide comme l'évaporation thermique. Cependant, ces méthodes nécessitent des équipements complexes, ce qui limite leur utilisation pour la fabrication de dispositifs de grande surface à faible coût. Par conséquent, l’approche d’une utilisation de matériaux interfaciaux par voie liquide a attiré beaucoup d'attention pour surmonter les problèmes posés par les méthodes de dépôt sous vide. Au cours de ces travaux, nous avons focalisé les études des CET sur la synthèse de nanocristaux de NiOx pour les utiliser comme couches interfaciales à la place du classique PEDOT:PSS. Pour la synthèse d'oxyde de nickel par voie liquide, l’approche par nanocristaux ne nécessitant aucun recuit après dépôt (ou seulement à basse température) a été choisi, pour utiliser le NiOx sur des substrats rigides ou flexibles dans des structures de dispositifs normales ou inversées, sans avoir un impact de la température élevée sur le substrat sous-jacent ou la couche photoactive. Malgré l'efficacité élevée rapportée dans la littérature pour les dispositifs utilisant du NiOx comme CET, la haute résistance du matériau NiOx limite son dépôt à des couches très minces qui ne sont pas appropriées pour la fabrication de cellules solaires à grande échelle par des procédés industriels en solution. Par conséquent, le dopage par des ions métalliques est une approche efficace pour augmenter sa conductivité. Nous avons synthétisé avec succès des nanoparticules de NiOx et de NiOx dopées au Li, Cu et Sn à différents niveaux de dopage et avons pu modifier le solvant de la dispersion depuis l'eau vers l’isopropanol (IPA), qui peut ainsi être facilement déposé sur la couche photoactive. Des solutions à base d'IPA sans agrégat ont été obtenues, stables pendant plus de 5 mois, contrairement aux solutions aqueuses dont la stabilité ne dépassait pas quelques jours. Un dopage par un composé moléculaire a ensuite été utilisé pour améliorer le travail de sortie, permettant d’obtenir une efficacité de 7,4% avec les cellules solaires de structure normale basées sur PTB7:PC70BM, comparable à celle utilisant le PEDOT:PSS. En structure inverse, avec une couche photoactive de PCE-13:ITIC-4F, une efficacité de 7,9% a été atteinte (comparativement aux 12% obtenus avec le MoO3 évaporé). En ce qui concerne les études des CEE, nous avons concentré ce travail sur le développement d'une nouvelle classe de matériaux hybrides organique-inorganique. Trois différents matériaux hybrides à base d'antimoine ont ainsi été synthétisés par évaporation lente et solubilisés dans des solutions à base d'alcool sous forme de nanocristaux, avant d'être utilisés dans des cellules solaires en structure normale (PTB7-Th:PC70BM) et inverse (PCE-13:ITIC-4F), permettant ainsi d’obtenir respectivement 7,8% et 6,7% d'efficacité à partir du meilleur matériau hybride fonctionnel.

Solar cells are important devices that convert solar energy into electric energy using photovoltaic effect. Organic solar cells (OSCs) are one of the promising generations of photovoltaics and this thesis deals with the chemical synthesis of new metal-based nanocrystals and the incorporation of these solution processed materials as hole transport layers (HTLs) and electron transport layer (ETL) in the OSCs. OSC is a stack of multilayers built on a transparent glass substrate coated with a conductive and transparent electrode. The photoactive layer made up of donor and acceptor molecules is the light harvesting layer. It is sandwiched between two interfacial layers, HTL and ETL. Several strategies were applied to increase the efficiency of the OSCs such as the usage of low band gap polymers, non-fullerene acceptors or processing inverted device structures. However, an important strategy is the incorporation of suitable interfacial layers that play several roles (tune the energy level at the organic/electrode interface, improve charge transport and electrode selectivity, etc.). Interfacial layers were so far mainly prepared through vacuum deposition methods such as thermal evaporation, however, they require complex equipment, which limits their use in low-cost, large area device fabrications. Therefore, the solution processed interfacial materials has attracted significant attention to overcome the problems of vacuum depositions. During this work, we focused the HTL studies on the synthesis of NiOx nanocrystals to use them as HTLs in the OSCs instead of classical PEDOT:PSS. NiOx was chosen because it is hole selective and its wide band gap promotes an ohmic contact at the photoactive layer/electrode interface. We follow a nanocrystal approach, requiring only low temperature treatment after deposition, as it is suitable for using NiOx on either rigid or flexible substrates in normal and inverted device structures, without having an impact on the underlying substrate or photoactive layer. Despite the high efficiency reported by using NiOx as HTL, the high resistance of the NiOx material limit its deposition to only thin layers that are not suitable for the fabrication of large-scale solar cells. Therefore, metal ion doping is an effective approach to increase the conductivity and improve the hole extraction even for thick layers. We synthesized pristine NiOx and the Li, Cu and Sn doped NiOx nanoparticles at different doping levels. By following a specific strategy, we were able to transform the dispersion from water into isopropanol (IPA) that can be easily deposited onto the active layer. After several optimizations; this dispersion was made possible using a probe ultrasonication starting from a mixture of water, isopropanol and methoxy acetic acid surfactant producing monodispersed aggregate-free solutions. These IPA-based solutions were stable for more than 5 months unlike the aqueous-based solutions having stability not exceeding few days. Molecular doping was used to improve the work function using a p-type dopant, F4-TCNQ molecule, that was spin coated on top of the NiOx layer. After optimizations, 7.4% (8% with PEDOT:PSS) and 7.9% (12% with evaporated MoO3) efficiencies were obtained with the normal and the inverted device structures, respectively. NiOx HTLs overcome the wettability problems of the PEDOT:PSS HTLs. Thus these IPA-based solutions can be applied for flexible substrates and large-scale production. As for the ETL studies, we focused this work on the development of a new class of organic-inorganic hybrid materials. Three types of antimony-based hybrid materials were synthesized using a slow evaporation method and were solubilized in alcohols as nanocrystals, before being used in both normal and inverted devices giving 7.8% and 6.7% efficiencies, respectively, for the best working hybrid material.