Soutenance de thèse de BALLESTEROS GARCÍA Ignacio

Résumé de la thèse

Les cellules solaires PV organiques(CSO) sont des dispositifs très intéressants pour la récupération de l'énergie lumineuse en intérieur, et l'internet des objets (IoT). Elle peut contribuer à la transition écologique avec le “recyclage” de la lumière en environnement intérieur, et en réduisant l'utilisation de batteries (déchets).
Ces dernières années, les rendements des CSO ont augmenté en atteignant des niveaux compétitifs par rapport à des technologies basées sur le Silicium (Si), qui reste l'acteur principal du marché PV. Les CSO, et d'autres technologies de couches minces sont plus optimisées que le Si dans des environnements à faible illumination. Les CSO ont d'ailleurs déjà démontré des rendements au-delà de 36%, supérieurs à ceux d'autres technologies. Les possibilités de fabrication des CSO avec des techniques utilisant des solvants verts, comme l'impression par jet d'encre (IJP), sont un avantage de cette technologie. La possibilité de définir des “designs” personnalisés, de réduire le coût et la flexibilité des matériaux sont autres avantages, permettant d'optimiser les niveaux énergétiques et d'améliorer l'absorption des matériaux organiques. Cependant, les procédés d'industrialisation et la stabilité des cellules sont encore des fortes barrières qui empêchent leur commercialisation.
Ce travail de thèse présente la recherche réalisée pour fabriquer des cellules solaires organiques «vertes» manufacturées par voie liquide en conditions de laboratoire, par déposition par la technique de «doctor blading» à l'air. Les travaux sont centrés sur la stabilité des dispositifs et la validation du transfert des procédés pour l'industrialisation par IJP.
La démarche scientifique était de trouver des couches interfaciales, des structures et des couches actives qui donnent des bonnes performances en illumination intérieur. Dans ce cadre, de nombreuses caractérisations et validations des couches actives et leurs efficacités en environnement intérieur ont été réalisés. Au cours de ce procédé itératif, le rôle de la formulation: la solubilité, la miscibilité et la morphologie du mélange, s'est révélé être très important. Différentes approches ont été utilisées pour optimiser les encres et améliorer leurs solubilités. Le mélange TPD-3F:FCC-Cl avec DPE comme additif a présenté les meilleurs performances (20.99%) en “indoor conditions”.
Les échantillons étaient ensuite encapsulés et soumis à des tests climatiques de stabilité en intérieur pour valider les meilleurs systèmes. A partir de ces résultats, le rôle des différents co-solvants et additifs sur la stabilité des couches en environnement intérieur a été démontré comme un facteur déterminant, nous permettant de mener une étude complète du système avec du TPD-3F:FCC-Cl sans additif; en utilisant du DPE, de la tétraline ou encore du DBDMF, comme additif solide. Le choix de l'additif a permis d'établir des différences sur la morphologie des couches et sur la stabilité thermique, en produisant des changements pendant la période initiale de dégradation ou «burn-in». Ces tests ont prouvé que le système le plus efficace n'a pas de bonne stabilité <500H. Au contraire, un autre système testé, le PJ71:FCC-Cl avec des efficacités plus modestes (17.33%) a présenté une stabilité prolongée (>2000h).
La dernière partie de ce travail de thèse a été la validation de la possibilité d'utiliser l'IJP avec les différentes couches utilisées. En ce point, la validation par IJP du mélange PJ71:FCC-Cl a obtenu des rendements comparables aux autres techniques de dépôt (16.91%).
En résume, ce travail a prouvé que la formulation du mélange et la morphologie modifient la stabilité des dispositifs CSO en conditions d'utilisation en intérieur. De plus, on a observé que la formulation avec le meilleur rendement n'était pas la plus stable. Cela montre l'importance du rôle des tests de stabilité pour des CSO en conditions “indoor” dès les premières étapes de sélection de matériaux et dispositifs.