Soutenance de thèse de YATZIL AVALOS QUIROZ

Ecole Doctorale
SCIENCES CHIMIQUES - Marseille
Spécialité
Sciences Chimiques
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
solaire,organique,accepteur,non-fullerene,
Keywords
solar,organic,acceptor,non-fullerene,
Titre de thèse
Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques avec des accepteurs non-fullerènes
Fabrication and characterization of organic solar cells using non-fullerene acceptors
Date
Mercredi 2 février 2022 à 14:00
Adresse
CINaM - UMR 7325 CNRS - Aix Marseille Université Campus de Luminy – Case 913 13288 MARSEILLE Cedex 09
Salle Raymond Kern
Jury
Directeur de these M. Jörg ACKERMANN CINaM Aix Marseille Université
CoDirecteur de these Mme Christine VIDELOT-ACKERMANN CINaM Aix Marseille Université
Rapporteur M. Yvan BONNASSIEUX LPICM, Ecole Polytechnique
Rapporteur M. Morten MADSEN University of Southern Denmark
Examinateur Mme Stéphanie ESCOUBAS IM2NP Aix Marseille Université
Examinateur Mme Mélanie BERTRAND ARMOR-ASCA

Résumé de la thèse

Au cours des dernières années, le photovoltaïque organique (OPV) a subi une croissance exponentielle grâce à l'introduction d'accepteurs non fullerènes (NFAs), ce qui a permis d'obtenir des rendements de conversion de puissance (PCE) supérieurs à 18 %. Cette technologie en plein essor offre des caractéristiques très intéressantes telles que un processus en solution, la flexibilité, la semi-transparence et une grande liberté de couleurs et de formes, ce qui la distingue des autres technologies. Cependant, il reste des défis spécifiques à relever pour être considérée comme une candidate compétitive pour la production industrielle. Pour pouvoir être produits à grande échelle, les matériaux et les processus de fabrication doivent répondre à certaines spécifications qui ne sont pas souvent abordées dans le contexte du laboratoire. Tout d'abord, les matériaux doivent être facilement accessibles sous forme de composés purs en quelques étapes de synthèse à partir de matières premières peu coûteuses et être compatibles avec des processus industriels tel que le roll-to-roll. Deuxièmement, la fabrication industrielle est effectuée dans des conditions environnementales et les matériaux doivent donc être résistants à ces conditions, être mis en œuvre dans des solvants à faible toxicité et assurer un fonctionnement à long terme dans les dispositifs solaires. Ce travail vise d'abord à comprendre la stabilité intrinsèque des polymères et des NFAs tels que ceux de la famille des ITIC et des Y largement utilisés dans les cellules solaires organiques (OSCs). La stabilité a été corrélée à la structure moléculaire et à la cristallinité dans le but d'identifier les matériaux les plus appropriés pour un fonctionnement à long terme. Une forte dégradation des molécules ITIC seules a été observée en raison des modifications critiques de la structure induites par la lumière. Cependant, une stabilité accrue de l'ITIC-4F en mélange avec un polymère de type p corrélée à l'augmentation de la cristallinité a également été démontrée. De plus, la cristallinité induite par recuit thermique pour l'ITIC et l'ITIC-Th confirme la relation ordre-stabilité des molécules de la famille ITIC. Quant aux molécules Y, elles présentent une stabilité intrinsèque remarquable dans les mêmes conditions. En ce qui concerne la cristallinité et sa relation avec les propriétés des molécules, une deuxième partie de ce travail présente l'optimisation d'une structure de transistor organique à effet de champ (OFET) robuste pour la détermination de la mobilité des électrons en relation avec l'ordre moléculaire induit par la température corrélé aux polymorphismes existants. Une troisième partie se focalise sur la caractérisation et l'optimisation de nouvelles molécules NFA pour la fabrication de OSCs en utilisant des solvants non-toxiques. Les molécules inspirées de l'ITIC atteignent un maximum de 6,8 % dans les systèmes binaires, mais en ajoutant ces molécules à un système ternaire, le Voc a été augmenté et le système atteint la même efficacité mais sans aucun traitement thermique. De plus, la toute nouvelle molécule NFA Star-shape présente une excellente stabilité intrinsèque et une efficacité maximale de 6,4 %. Enfin, nous présentons la voie suivie pour obtenir une efficacité de plus de 15% dans notre laboratoire en utilisant des systèmes stables et pertinents pour l’industrie par une approche ternaire. Une efficacité remarquable de 15 %, obtenue par la technique de dépôt par doctor blade et des solvants non toxiques, a été obtenue en utilisant des systèmes ternaires tels que PM7:PM6:Y12.

Thesis resume

Over the past decades, organic photovoltaics (OPVs) has been grown exponentially thanks to the introduction of non-fullerene acceptors (NFAs), resulting in power conversion efficiencies (PCE) exceeding 18%. The growing technology offers very interesting features such as solution processing, flexibility, semitransparency and a large liberty of colors and shapes, which make them stand out among other technologies. However, there are still specific challenges to overcome to be consider as a good competitive candidate for industrial production. In order to be produced on a large scale, the materials and manufacturing processes meet certain specifications, which are not often addressed in the laboratory context. First, the materials must be easily accessible as pure compounds in few synthetic steps from cheap raw materials and be compatible with industrial processing such roll-to-roll. Secondly, the industrial manufacturing is carried out under environmental conditions and thus materials must be resistant to these conditions, be processed using low-toxicity solvents and provide a long-term operation in solar devices. This work is addressed first to the understanding of the intrinsic stability of polymers and NFAs such ITIC- and Y-families largely used in efficient organic solar cells (OSCs). The stability was correlated to molecular structure and crystallinity in the aim to identify the most suitable materials for long-term operation. It was observed strong degradation of neat ITIC molecules due to critical structure modifications induced by light soaking. However, an enhanced stability of ITIC-4F in blend with a p-type polymer correlated to the increased crystallinity was also demonstrate, moreover a thermal-induced crystallinity for ITIC and ITIC-Th confirm the relation order-stability for the ITIC molecules. Y molecules by its side exhibit remarkable intrinsic stability under the same conditions. On the aspect of the crystallinity and its relation to the properties of molecules, a second part of this work presents the optimization of a robust organic field effect transistor (OFET) structure for the determination of the neat electron mobility of NFAs based thin film in relation to temperature-induced molecular order correlated to existing polymorphisms. A third section focuses on the characterization and optimization of new NFA molecules for the fabrication of OSCs using non-toxic solvents. ITIC inspired molecules achieve a maximum of 6.8% in binary systems, but by adding those molecules to a ternary system the Voc was increased and the system achieve the same efficiency but without any thermal treatment. Additionally, the new star-shape NFA molecule exhibits excellent intrinsic stability and a maximum PCE of 6.4%. Finally, the path to obtain more than 15% efficiency in our laboratory using stable and industrial relevant systems using a ternary approach is presented. An impressive 15% efficiency, processed by scalable doctor blade coating technique and non-toxic solvents was achieved by using ternary systems such PM7:PM6:Y12.