Auto-organisation et optimisation de la génération de charges dans des co-oligomères à blocs donneur-accepteur pour des applications photovoltaïques – PICASSO

Le projet PICASSO vise l'optimisation de la couche active organique par le contrôle de sa morphologie et par le contrôle de la photo-génération des charges libres.

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 introduire ensemble dans un composé unique (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.
La démarche utilisée pour améliorer la proportion de charges photo-générées ainsi que leur durée de vie, consiste à adapter judicieusement la composition chimique et l'enchaînement des différentes parties de la molécule.

A venir

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Le projet PICASSO vise la synthèse, la caractérisation et l’utilisation de matériaux photovoltaïques innovants, i.e. des co-oligomères constitués de blocs pi-conjugués donneur (D) et accepteur (A) d’électrons, qui présentent à la fois i) des états de charges séparés intramoléculaires à longue durée de vie et ii) une nanostructuration des blocs A et D en lamelles alternées A/D. Les co-oligomères sont conçus de manière à constituer une couche active mono-composante d’un dispositif photovoltaïque à photogénération de charge efficace. Plus précisément, en introduisant dans le groupe donneur un gradient de densité électronique (par l’assemblage d’unités moléculaires d’affinité électroniques variables), on vise à améliorer la séparation spatiale des polarons de charges opposées, de manière à créer un transfert de charge intermoléculaire photo-induit. Il est ainsi attendu que le caractère à transfert de charge intramoléculaire du bloc donneur réduise le taux de recombinaison géminée et augmente le temps de vie des porteurs de charges photogénérés. Par ailleurs, la nanostructuration en phase lamellaire D/A doit permettre d’optimiser le transport des porteurs au sein des lamelles A et D et faciliter ainsi la collecte des charges au sein d’un dispositif photovoltaïque.

Le cœur de ce projet fait appel à des techniques et procédés élaborés dans des domaines aussi divers et complémentaires que la synthèse organique, la modélisation moléculaire, la spectroscopie d’absorption femto-seconde résolue en temps, la microscopie électronique à transmission, ou encore l’élaboration et la caractérisation de dispositifs photovoltaïques. Les retombées attendues de ce projet sont :

i). un contrôle renforcé du mécanisme de photogénération des charges à l’interface moléculaire D/A,
ii). une capacité à contrôler, via la structure moléculaire, le taux de recombinaison des états de charges séparées,
iii). la stabilisation d’une hétérojonction D/A dans une morphologie lamellaire bien définie,
iv). la rationalisation des propriétés de transport de charge ambipolaire,
v) l’élaboration de dispositifs photovoltaïques basés sur une couche active constituée d’un matériau mono-composant auto-assemblé.

Ce projet est centré principalement sur l’étude fondamentale des matériaux fonctionnels tout en abordant l’étude de leurs propriétés en vue de leur application. Ce projet de recherche est par conséquent fortement multidisciplinaire et repose sur les expertises complémentaires apportées par les quatre laboratoires partenaires situés sur le campus CNRS de Cronenbourg à Strasbourg :
1. les départements des matériaux organiques (DMO) et d’optique non-linéaire (DON) de l’Institut de Physique et de Chimie des Matériaux (IPCMS, UMR 7504),
2. le Laboratoire d’Ingénierie des Polymères pour les Hautes Technologies (LIPHT, EA 4379),
3. l’Institut Charles Sadron (ICS, UPR 22) et
4. l’Institut d'Électronique du Solide et des Systèmes (INESS, UMR 7163).