Colorants bio-inspirés pour les procédés d’impression de cellules solaires organiques – Chalcones

D’un point de vue scientifique et technologique, mais aussi économique, la chimie des colorants a représenté un champ d'activité important dans l'industrie chimique et la recherche fondamentale depuis le 19ème siècle. De nos jours, les sciences des colorants font face à de nouveaux défis, notamment dans le solaire photovoltaïque, où ils représentent des solutions réalistes pour la mise au point de matériaux efficaces dans la collecte des photons solaires et la conversion en électricité. Très utilisé dans les polymères, le concept donneur-accepteur (D-A) d’électron a été étendu au cas de molécules de faible poids moléculaire et l’étude détaillée des propriétés optiques et électroniques de ces composés à l'état solide représente une approche prometteuse afin d’accéder à de nouvelles générations de matériaux organiques semi-conducteurs. Dans ce contexte très compétitif, il y a toujours une forte demande pour la conception de semi-conducteurs moléculaires pour explorer les corrélations propriété / structure et surmonter les barrières technologiques en termes d’efficacité des matériaux, de coût de fabrication des matériaux et des dispositifs, et de développement de procédés en solution pour la production en série de cellules solaires de grande surface. Ce projet propose une étude complète basée sur ma mise en œuvre de colorants de type chalcone et curcuminoïde dans lesquels la complexation de l’unité difluorure de bore confère à la structure moléculaire un moment dipolaire élevé à l’état fondamental et excité. Dans une étude préliminaire, des propriétés photovoltaïques prometteuses ont été mises en évidence pour chalcones-BF2 dans des cellules solaires à hétérojonction volumique en présence de [6,6]phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PC61BM) comme accepteur d’électron. Le projet vise à identifier les facteurs qui contrôlent l'efficacité des cellules solaires basés sur ces matériaux en combinant des approches chimiques, spectroscopiques, théoriques et technologiques. Il inclut la synthèse de nouveaux colorants chalcone et curcuminoïdes avec des niveaux électroniques bien adaptés, des propriétés de transport de charge optimisées, et permettant le contrôle de la nano morphologie des films minces. Des calculs de chimique quantique seront réalisés pour évaluer les relations propriété / structure et prédire les caractéristiques spectroscopiques de nouvelles structures moléculaires. La fabrication de dispositifs permettra d'identifier les meilleurs candidats et d’identifier les conditions optimales de formation et dépôt des couches actives par des procédés en solution. Dans une approche finale, les matériaux avec la meilleure performance photovoltaïque seront utilisés dans la fabrication de cellules solaires de grande surface en utilisant un prototype industriel (roll-to-roll) pour l'impression de couches minces en solution, ce qui nécessitera le développement d’une formulation d'encres semi-conductrices. Le projet réunit trois équipes académiques, deux de chimistes – chimie expérimentale et théorique – et une de physiciens, et un partenaire industriel. Ce projet est surtout axé sur les chalcones, mais s’étend aux dérivés curcuminoïdes. Effectivement ces molécules peuvent être obtenues par des méthodes de préparation simples, ne nécessitant pa l’emploi de catalyseurs métalliques, efficaces et peu couteuses, et mettent en jeu des procédures de purification faciles. Finalement, un but à long terme de ce projet est d'identifier le potentiel de structures moléculaires originales dans les applications avancées en privilégiant des approches en chimie verte et de manière ultime une exploitation de la biomasse dans le développement de matériaux pour l’énergie solaire.