Nanoparticules de polymère conjugué pour la mise en œuvre éco-efficiente de films minces – FORCE

Nous présentons ici un procédé original basé sur l’utilisation de dispersions de nanoparticules (NP) semi-conductrice organique pour contrôler la morphologie de films minces, notamment pour la préparation de dispositifs optoélectroniques.
En effet, la structuration de la couche active est un facteur clé pour améliorer l’efficacité de ces dispositifs, que ce soit à l’échelle moléculaire (auto-assemblage du polymère, cristallisation) où elle influence la mobilité des charges (trous, électrons) ou à l’échelle mésoscopique (arrangement et taille des domaines dans les mélanges donneur / accepteur) où elle est responsable de la bonne séparation des charges et de leur transport vers les électrodes.
Habituellement, la couche active de ces dispositifs est préparée à partir de solutions de polymères semi-conducteurs par des méthodes tels que le spin-coating éventuellement suivi d’un recuit. Cependant, ces polymères étant peu solubles et seulement dans des solvants chlorés toxiques, il apparait nécessaire de développer des voies alternatives afin de contrôler morphologie de la couche active et de diminuer la toxicité des solvants de dépôt.
Notre approche, basée sur la préparation de dispersions de nanoparticules, permet de s’affranchir des problèmes de solubilité puisque le polymère n’est plus solubilisé mais dispersé dans le solvant, on peut alors choisir un solvant à faible impact environnemental tel que l’eau. De plus, le polymère étant confiné à l’intérieur des nanoparticules, si l’on contrôle sa morphologie au moment de la préparation des nanoparticules, sa structuration dans le film est grandement améliorée.
Pour ce projet, nous utiliserons les derniers polymères fluorés synthétisés à l’ICPEES et qui ont donnés de très bons rendements de conversion en cellules photovoltaïques en mélange avec des dérivés de fullerènes, du fait de le forte cristallinité induisant un transport de charge efficace. Cependant, ce polymère est aussi très peu soluble même dans des solvants habituellement utilisés pour la préparation de cellules photovoltaïques et il doit être mis en œuvre à chaud dans l’o-dichlorobenzène. Sa solubilité sera améliorée par modification des chaînes alkyles. D’autre part, nous utiliserons également des petites molécules accepteurs d’électrons originales, développées à l’ICPEES et possédant de très grand coefficients d’extinction molaires dans l’UV-visible mais également des très hautes cristallinité responsable d'une importante ségrégation de phase dans les films. Dans ce cas, le confinement à l’intérieur de nanoparticules devrait être bénéfique pour contrôler la taille des domaines.
Des nanoparticules (de diamètre 20 à 40 nm) contenant un seul matériau semiconducteur (MSC) et des nanoparticules composites contenant un mélange de deux MSC (donneur et accepteur) seront préparées par miniémulsion et par reprécipitation. Elle seront ensuite caractérisées par Microscopie Electronique à Transmission (MET), spectroscopie UV-visible ou fluorescence. Ces techniques donnent une bonne idée de l’organisation du ou des polymères à l’échelle moléculaire (présence de bandes vibroniques sur le spectre UV-visible) et à l’échelle mésocopique (extinction de fluorescence).
Les NP seront ensuite organisées dans des films minces par différentes méthodes de déposition comme le spin-coating à faible vitesse. L’organisation des particules composites devrait ainsi nous permettre d’obtenir un mélange bicontinu de deux phases de MSC de faible longueur caractéristique (de l’ordre du diamètre de la nanoparticule). Les films seront caractérisés par Microscopie à Force Atomique (AFM), MET, spectroscopie UV-visible et fluorescence.
Finalement, les propriétés optoélectroniques seront caractérisées grâce à l'élaboration de dispositifs, tels que des transistors organiques à effet de champ et des cellules photovoltaïques.