PICASSO

Axe stratégique: 
Energie, réseaux et flux
Type de financement: 
ANR
Date de labellisation: 
22/02/2011
Durée du projet: 
42 mois
Organisme opérateur: 
ANR
Descriptif: 

Vers la préparation de cellules solaires organiques « modèles »

Le projet PICASSO vise l’optimisation du matériau organique constituant la couche photoactive de cellules solaires plastiques, dans le but de convertir plus efficacement la puissance lumineuse en puissance électrique.

Optimisation de la structure et de la génération des charges du matériau organique.

Le projet PICASSO vise l'amélioration de l'efficacité et la stabilité de cellules photovoltaïques "plastiques" par l'optimisation de la couche active organique. Plus particulièrement; il s'agit dans un premier temps de contrôler la morphologie de cette couche active, en considérant l’auto-assemblage de co-oligomères à blocs D-A. Dans un deuxième temps, il s’agit de chercher à contrôler la durée de vie des charges libres photogénérées en modifiant judicieusement la structure chimique du bloc D. L’ensemble de ces deux améliorations permet d’envisager la préparation d’une couche active photovoltaïque « monocomposante » idéalement nanostructurée et présentant des rendements de conversion optimisés.

 

PICASSO

Thème: 

Optimisation de la structure et de la génération des charges du matériau organique.

Enjeux et objectifs

Dans les cellules solaires "plastiques", la couche de matériaux organiques est responsable de l’ensemble du processus de conversion de la lumière en courant électrique. La couche organique est habituellement constituée d'un mélange de composés donneurs (D) et accepteurs (A) d’électrons, qui se ségrégent pour former un réseau interpénétré de "D" et "A". La morphologie de ce réseau détermine les interfaces D/A (siège de la création des charges) et les canaux de conduction pour le transport des charges jusqu'aux bornes de la cellule. Le manque de contrôle de cette morphologie constitue donc une limitation majeure dans la performance et la stabilité des cellules solaires organique. Une autre sévère limitation concerne la faible proportion de charges électriques récupérées aux électrodes. Ce problème provient essentiellement du manque de contrôle des multiples processus photophysiques (notamment les phénomènes de recombinaison de charges) intervenant depuis la photogénération des charges jusqu’à leur arrivée aux électrodes.

Le projet PICASSO vise l'amélioration de l'efficacité et la stabilité de cellules photovoltaïques "plastiques" par l'optimisation de la couche active organique. Plus particulièrement; il s'agit dans un premier temps de contrôler la morphologie de cette couche active, en considérant l’auto-assemblage de co-oligomères à blocs D-A. Dans un deuxième temps, il s’agit de chercher à contrôler la durée de vie des charges libres photogénérées en modifiant judicieusement la structure chimique du bloc D. L’ensemble de ces deux améliorations permet d’envisager la préparation d’une couche active photovoltaïque « monocomposante » idéalement nanostructurée et présentant des rendements de conversion optimisés.

 

Méthodes / approches.

La démarche utilisée pour structurer la couche active organique consiste à utiliser non plus les composés D et A en tant que constituants d’un mélange mais à les associer chimiquement l’un à l’autre dans un composé unique (ie. un co-oligomère à bloc). La structure chimique de la molécule est telle qu’une organisation spontanée des blocs D et A est attendue, conduisant à une structure idéale de réseau lamellaire alterné D/A. Trois différentes architectures moléculaires ont été étudiées : la diade D-A et les triades A-D-A et D-A-D. En pratique, le bloc A est un pérylène diimide et le bloc D, un dérivé de bithienofluorène de longueur variable (Dn avec n=0-3).

La démarche utilisée pour améliorer la proportion des charges photogénérées ainsi que leur durée de vie consiste d’abord à jouer sur la longueur du bloc D. Elle consiste surtout à introduire un gradient de densité électronique au sein du bloc D. Concrètement sur ce dernier point, il s’agit d’introduire une unité électro-déficiente (§+) et une unité électro-riche (§-) de part et d’autre du bloc D, pour conduire à la séquence §+-D-§-. La présence ou non de ces unités (§+ et §-) permet ainsi de moduler la « force » du gradient de densité électronique au sein du bloc D, pour en tester son effet sur la dynamique de photogénération des charges et leur durée de vie.

 

Résultats et perspectives

A l’issue de ce projet, 17 co-oligomères à blocs ont été synthétisés, présentant une architecture moléculaire de type A-D, D-A-D ou A-D-A, une longueur de bloc D variable (0 à 3 unités bithiénofluorène), et la présence (ou non) au sein du bloc D d’unités électro-riche (§-) et électro-déficiente (§+).

Ce projet a conduit à des résultats marquants. Il a notamment permis de :

  • comprendre le rôle des paramètres moléculaires sur l’auto-organisation de systèmes D-A conduisant à stabiliser des réseaux lamellaires D/A à longue distance. Ces auto-assemblages ont d’ailleurs pu être orientés par des techniques de brossages mécaniques originales.
  • définir le rôle des paramètres moléculaires (notamment §+ et §-) sur le temps de photogénération des charges et leur durée de vie. Nous avons cependant montré que ces paramètres moléculaires n’avaient un effet uniquement sur les systèmes en solution, mais pas à l’état solide (ie. sur les systèmes auto-assemblés).
  • mettre en évidence des canaux de conduction efficaces dans ces auto-assemblages, ie. Un transport ambipolaire avec des mobilités élevées (jusqu’à 10-2 cm2/Vs) qui se trouve par ailleurs dépendre de la proportion des blocs D/A.
  • mettre en évidence un effet photovoltaïque dans ces nanostructures, qui reste cependant encore à optimiser en contrôlant l’orientation des auto-assemblages dans les dispositifs.

Ces résultats ouvrent la voie à la préparation de réseaux auto-assemblés stables et d’orientation contrôlée pour la préparation de dispositifs monocomposants pour l’opto-électronique organique.

Ces résultats ont aussi donné naissance à 2 nouvelles collaborations pour étudier les propriétés photoélectriques de ces matériaux modèles à l’échelle locale (B. Grévin, CEA, Grenoble) et pour apporter une explication théorique du rôle des paramètres moléculaires sur les propriétés photophysiques (I. Burghardt, Goethe Univ. Frankfort).

Des travaux sont toujours menés pour finaliser la mise au point des conditions d’orientation des assemblages dans les dispositifs opto-électroniques. Le premier objectif est de préparer une cellule photovoltaïque organique d’architecture modèle, notamment pour y caractériser la dynamique des états excités. Le second objectif est d’utiliser les connaissances acquises au cours du projet PICASSO pour développer de nouveaux matériaux optimisés et exploitables (synthèse plus simple et plus rapide) pour la réalisation de cellules photovoltaïques monocomposants à haut rendement.

 

Production scientifique

Tous les articles parus (3) et à paraître (3) sont multi-partenaires

La synthèse des molécules et la caractérisation des auto-assemblages lamellaires ont été publiées (J. Am. Chem. Soc. 136, 5981-5992 (2014) ; J. Mat. Chem. C. 3, 3342 (2015)). Certains synthons ont pu être exploités pour préparer des systèmes moléculaires photovoltaïques dans des hétérojonctions volumiques classiques (New J. Chemistry, 37 (8), 2317–2323 (2013)).

3 autres articles sont en cours de préparation, pour décrire :

  • Le transport de charges ambipolaire dans les systèmes D-A auto-assemblées
  • L’influence de la composition chimique du bloc D dans les systèmes D-A, sur les processus photo-physiques et les temps caractéristiques associés
  • L’étude du photopotentiel de surface (KP-FM) de systèmes auto-assemblés.

 

Carte d'identité: 

Le projet PICASSO est un projet de recherche fondamentale coordonné par Stéphane Méry. Le projet a commencé en janvier 2011 et a duré au total 42 mois (avec prolongation de 6 mois). Il a bénéficié d’une aide ANR de 555 k€ pour un coût global de l’ordre de 2448 k€.

Porteurs: 

IPCMS : Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg
 

Partenaires: 

Il associe les laboratoires ICS, ICPEES et ICube de Strasbourg