LPPI

Photovoltaïque

Une partie de ces matériaux fonctionnels, conducteurs ioniques et/ou électroniques, hybrides ou tout organique, sont, pour certains d’entre eux, conçus et élaborés pour répondre à certaines contraintes imposées dans les applications concernant la conversion et le stockage de l’énergie.

Les performances de ces matériaux ont donc été évaluées comme matériaux de cellules photovoltaïques, organiques ou hybrides.

Des tests en dispositifs permettent d’apprécier leur intérêt par rapport aux matériaux existants, mais aussi leurs limitations à l’issue desquelles l’élaboration est revue et optimisée.

 

 

Contact: Fabrice Goubard, Thanh Tuan Bui, Gjergjy Sini, Xavier Sallenave, Cédric Plesse

Matériaux organiques de cellules photovoltaïques

 

Le concept de RIPs a également été appliqué à la réalisation de dispositifs pour le photovoltaïque tout organique. En effet, l’association dans cette architecture de deux matériaux possédant respectivement des propriétés de dopage n et p induit une micro-ségrégation de phase favorable à une dissociation des excitons et un transport de charge efficace jusqu’aux électrodes. Le transfert de charges peut être optimisé du fait de la très grande interface qui s’établit si les matériaux sont correctement interpénétrés. En plus de diminuer la taille des domaines des phases donneur et accepteur, les architectures (semi-)RIP présentent une meilleure stabilité dimensionnelle par rapport à celle de simples mélanges.

Les premières architectures semi-RIP ont associé un oligomère de carbazole (dopable p) et un dérivé non polymérisable de polypérylène (dopable n). Le semi-RIP est formé en une étape en formant le réseau à base de carbazole par couplage électrochimique, en présence de polypérylène. Les RIPs ont été synthétisés à partir d’un couple de précurseurs similaires après fonctionnalisation du polypérylène par greffage de fonctions acrylate. Les rendements photovoltaïques pour les deux systèmes restent néanmoins faibles (~10-3%).

Matériaux hybrides de cellules photovoltaïques

 

L’approche originale du LPPI est basée sur le développement de verres moléculaires (VM). Ces molécules semi-conductrices de type p remplacent l’électrolyte liquide à base I2/I3- dans une cellule de type Graetzel et rendent ainsi le dispositif « tout solide ». Ces VM, de structures bien définies, s’insèrent facilement dans les pores de TiO2 et présentent des mobilités de charge supérieures à celle des polymères conjugués.

Une première génération de VM, dérivée du carbazole, a été synthétisée et présente des niveaux énergétiques (HOMO-LUMO) favorables à l’effet photovoltaïque. Les mesures de rendement de l’ordre de 0,24%, ont conduit le LPPI à entreprendre la synthèse d’une seconde génération de VM, à base de triphénylamines substituées par des groupements thieno[3,2-b]thiophène et thiophène (Figure ci-dessous).

 

Schéma d’une cellule photovoltaïque hybride et des verres moléculaires à base de triphénylamines substituées

Ils présentent, notamment, une mobilité de trous importante (10-3 cm2.V-1.s-1). Cependant à la différence de la première génération, le VM absorbe dans la même région du visible que le colorant, entraînant une diminution du rendement photovoltaïque. La modélisation moléculaire menée parallèlement à la synthèse sur ces VM de seconde génération, a permis de mieux comprendre certaines de leurs propriétés optiques et électroniques, dont leur meilleure mobilité de trous.

L’optimisation des réactions aux interfaces TiO2 / matériau semi-conducteurs de type p, est également réalisée. Ainsi, la photopolymérisation du monomère 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT) à l'intérieur des pores de TiO2 permet d'améliorer leur remplissage par rapport à un dépôt conventionnel de polymère conducteur électronique par spin-coating. De plus, l'utilisation de polymères liquides ioniques comme agents structuraux permet une meilleure conductivité du couple redox I2/I3 - dans un système « tout solide».

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