Soutenance de thèse de Elena SOKOLOVA (BARULINA)

Aujourd'hui, les cellules solaires organiques sont des sources d'énergie alternatives, désormais compétitives pour une introduction sur un marché photovoltaïque de nouvelle génération grâce à leur haute performance, leur impression sur une grande surface, leur flexibilité et leur faible prix potentiel. Une formidable progression avec un rendement de conversion électrique certifié supérieur à 17% a été rendue possible ces cinq dernières années par le développement de nouveaux matériaux accepteurs d’électron dits non-fullerène (les NFAs). Toutefois, la stabilité à long terme des dispositifs est un facteur clé pour déterminer la viabilité commerciale et doit par conséquent être examinée en détail. L'objectif de cette thèse était d’étudier la durée de vie des cellules solaires organiques en variant les matériaux actifs, l'architecture des cellules, les couches interfaciales, les traitements appliqués aux cellules et le processus d'encapsulation. Dans un premier temps, nous avons étudié un système basé sur un polymère donneur (PTB7-Th) et un dérivé de fullerène comme accepteur (PC71BM). La stabilité des cellules solaires à base du mélange PTB7-Th:PC71BM a été étudiée pour une structure normale ou inversée sous différentes sources de lumière (LED, AM1.5) en atmosphère inerte ou à l’air. Pour les tests à l’air, une technique efficace d’encapsulation des cellules a été appliquée. Sous LED, la structure ou les traitements appliqués (utilisation d’additif dans la préparation de l’encre ou recuit de la cellule) n’ont pas d’influence sur la stabilité des cellules solaires. Au contraire pour un éclairage avec un spectre solaire simulé non filtré à l’UV (AM1.5), de fortes variations dans la stabilité sont observées. Il est démontré qu’un post-recuit améliore considérablement la stabilité des dispositifs, mais le choix de la structure de la cellule reste le paramètre clé. En effet seules les cellules en structure normale ont montré une grande stabilité dans le temps sous un éclairage continu AM1.5. Comparativement une structure inversée rend les cellules solaires moins stables, jusqu’à très instables. Ce phénomène a été étudié en détail par spectroscopie d'absorption, AFM, XRD et TEM analytique de la couche active afin de de comprendre le mécanisme de stabilisation. La couche active PTB7-Th:PC71BM a pu être définie comme référence dans l’étude de la stabilité des mélanges utilisant des NFAs. La stabilité des cellules solaires à base de NFAs tels que l'ITIC et son dérivé fluoré ITIC-4F mélangés avec des polymères donneurs (PBDB-T ou PBDB-T-2F) a été étudiée. Les mélanges PBDB-T:ITIC et PBDB-T-2F:ITIC-4F ont été intégrés comme couche active dans des cellules solaires en structure inversée. Après encapsulation, ces cellules donnent des performances initiales proches de l’état de l’art pour ces matériaux avec respectivement 8% et 11%, mais se dégradent beaucoup plus rapidement sous LED ou AM1.5 que les cellules solaires à base de fullerène. Sous un éclairage LED, les cellules solaires à base d’ITIC-4F présentent une meilleure stabilité que celles à base d'ITIC. Cette dégradation sous LED dépend aussi très fortement de la nature chimique de la couche d’extraction d’électron; alors que dans le cas de cellules à base de fullerène, une telle dépendance était absente. Ces études révèlent que l’utilisation des NFAs comme des dérivés de l’ITIC rendent les cellules solaires performantes mais plus instables. Au cours de ces travaux, les études ont également porté sur les procédés d'encapsulation flexibles utilisés pour les modules imprimés par jet d'encre de la société Dracula Technologies afin d'évaluer leur adhérence et leur perméabilité à l'eau. Il a été constaté que la température de post-recuit améliore considérablement l'adhésion des films barrières. Les modules ainsi encapsulés ont démontré des propriétés relativement stables après 1000 h d'éclairage continu par une lampe au xénon non filtré à l’UV d’une intensité lumineuse de 900 W/m2.

Today, organic solar cells are alternative energy sources, now competitive for introduction into a new generation photovoltaic market thanks to their high performance, large surface area printing, flexibility and low price potential. A tremendous progress with a certified electrical conversion efficiency of more than 17% has been made possible over the last five years by the development of new electron accepting materials called non-fullerene (NFAs). However, the long-term stability of the devices is a key factor in determining commercial viability and must therefore be examined in detail. The objective of this thesis was to study the lifetime of organic solar cells by varying the active materials, the cell architecture, the interfacial layers, the treatments applied to the cells and the encapsulation process. As a first step, we studied a system based on a donor polymer (PTB7-Th) and a fullerene derivative as acceptor (PC71BM). The stability of solar cells based on the PTB7-Th:PC71BM mixture was studied for normal or inverted structure under different light sources (LED, AM1.5) in inert atmosphere or in air. For the air tests, an efficient cell encapsulation technique was applied. Under LED, the structure and the treatments applied (use of additive in the preparation of the ink or annealing of the cell) do not influence on the stability of the solar cells. On the contrary, for an illumination with a UV-unfiltered simulated solar spectrum (AM1.5), strong variations in stability are observed. Post-annealing has been shown to significantly improve the stability of the devices, but the choice of the cell structure remains the key parameter. Indeed, only cells with normal structure showed a high stability over time under continuous illumination AM1.5. Comparatively an inverted structure makes solar cells from less stable up to very unstable. This phenomenon has been studied in detail by absorption spectroscopy, AFM, XRD and analytical TEM of the active layer in order to understand the stabilization mechanism. The PTB7-Th:PC71BM active layer could be defined as a reference in the study of the stability of mixtures using NFAs. The stability of solar cells based on NFAs such as ITIC and its fluorinated derivative ITIC-4F mixed with donor polymers (PBDB-T or PBDB-T-2F) was studied. The mixtures PBDB-T:ITIC and PBDB-T-2F:ITIC-4F were integrated as active layer in solar cells in inverted structure. After encapsulation, these cells give initial performances close to the state of the art for these materials with 8% and 11%, respectively, but degrade much faster under LED or AM1.5 than fullerene-based solar cells. Under LED lighting, ITIC-4F-based solar cells show better stability than ITIC-based solar cells. This degradation under LED also depends very strongly on the chemical nature of the electron extraction layer; whereas in the case of fullerene-based cells, such dependence was not observed. These studies reveal that the use of NFAs as ITIC derivatives make solar cells more efficient but more unstable. During this work, the studies also focused on the flexible encapsulation processes used for Dracula Technologies' inkjet printed modules in order to evaluate their adhesion and water permeability. It was found that the post-annealing temperature significantly improves the adhesion of barrier films. The encapsulated modules demonstrated relatively stable properties after 1000 hours of continuous illumination by an UV-unfiltered Xenon lamp with a light intensity of 900 W/m2.