Soutenance de thèse de Pavlo PERKHUN

Au cours de la dernière décennie, le développement de ce qu'on appelle les accepteurs non-fullerène (NFA) a permis d'obtenir des rendements de conversion d'énergie (PCE) des cellules solaires organiques (OSC) supérieurs à 18 %. Jusqu'à présent, les cellules solaires à haut rendement basées sur des NFA sont généralement fabriquées par revêtement par tournette (SC) avec des solvants halogénés. La partie la plus importante des OSC est la couche photo-active qui est généralement un mélange de matériaux semi-conducteurs donneurs et accepteurs organiques qui, une fois mélangés, forment ce qu'on appelle une hétérojonction en volume (BHJ). Par conséquent, la compréhension de la formation du film et de son contrôle pendant l'impression est le facteur clé dans le développement d’OSCs hautement efficaces. Le sujet principal de ce travail de thèse a été le développement de cellules solaires de haute efficacité utilisant l'impression par jet d'encre (IJP) de mélanges de polymères à base de matériaux NFA et de mélanges de solvants non halogénés. Une première partie du travail de thèse a été consacrée au traitement et à l'optimisation des dispositifs de dérivés de l’ITIC, et les polymères donneurs correspondants tels que PCE-12 et PCE-10. Le travail a été effectué en partie pendant le séjour à l'Institut Fraunhofer pour l'énergie solaire (ISE) dans le groupe du Dr. Uli Würfel qui a permis d'étudier la relation entre la formulation de l'encre, les procédés de fabrication et l'architecture des cellules solaires pour atteindre un haut PCE de 9,4% pour les OSCs à base de PCE-12:ITIC. En addition, la morphologie à l'échelle nanométrique des mélanges à base de NFA a également été étudiée en détail en collaboration avec le groupe du Prof. R. R. Schröder et du Dr. M. Pfannmöller à l'Université de Heidelberg. Il a été possible de montrer qu'il existe des structures spécifiques des ITIC après le recuit thermique à l'intérieur du mélange. Dans la deuxième partie du travail de thèse, l'objectif principal des mélanges de polymères imprimés par jet d'encre utilisant des nouveaux matériaux NFA a été abordé. Pour répondre aux besoins d'impression de l'IJP, nous avons étudié l'impact du traitement des matériaux NFA par des solvants non halogénés sur la morphologie de la BHJ à l’échelle micro- et. D'abord nous avons identifié des congénères compatibles avec l'o-xylène tels que le polymère PBDB-TF (PM6) et l'accepteur ITIC-4F pour étudier l'impression par jet d'encre de ce mélange photovoltaïque à l'air à l'aide d'une imprimante semi-industrielle. Il est important de noter que la double fonctionnalité du co-solvant tétraline à point d'ébullition élevé a été démontrée, ce qui améliore simultanément la capacité de projection et le temps d'ouverture de la buse pendant le processus de jet d'encre ainsi que le processus de séchage de la couche du mélange. L'utilisation de conditions d'impression optimales a permis d'obtenir des cellules solaires à base de polymère avec un rendement de 10,12 %, soit le rendement le plus élevé parmi les cellules solaires utilisant des couches de mélange imprimées par jet d'encre et traitées à l'aide de solvants non chlorés. Les pertes de performance résiduelles par rapport aux dispositifs utilisant le mélange SC ont été étudiées lors d'un séjour à l'Université Jaume I en Espagne sous la supervision du Dr A. Guerrero en utilisant la spectroscopie d'impédance. Dans le dernier chapitre de la thèse, les performances des OSC traitées par l'IJP et docteur ont été optimisées pour l'éclairage intérieur. Dans le cas des mélanges PM6:ITIC-4F, des cellules solaires ayant une efficacité de 14,8 % à un éclairage intérieur de 200 lux ont pu être réalisées en utilisant des couches de mélange de 300 nm d'épaisseur. L'utilisation du polymère PTQ-10 combiné à l'ITIC-4F ont pu encore augmenter l'efficacité à 16 % dans des conditions d'éclairage de 200 lux en utilisant des couches de mélange d'une épaisseur allant jusqu'à 500 nm.

Over the last decade, the development of so called non-fullerene acceptors (NFA) resulted in power conversion efficiencies (PCE) of organic solar cells (OSCs) exceeding 18%. Up to now, the high efficiency solar cells based on NFAs are typically manufactured by spin-coating (SC) with halogenated solvents. The most important part of OSCs is the photoactive layer which is typically the mixture of organic donor and acceptor semiconducting materials which, when blended, form so-called bulk-heterojunction (BHJ). Hence, the understanding of the film formation and its control during printing is the key factor in the development of highly efficient OSCs. The major subject of this thesis work was the development of high efficiency solar cells using ink-jet printing (IJP) of polymer blends based on NFA materials and non-halogenated solvent mixtures. A first part of the thesis work was dedicated to processing and device optimization of ITIC- derivatives and corresponding polymer donors such as PCE-12 and PCE-10. The work was partly done during the stay at Fraunhofer Institute for Solar Energy (ISE) in the group of Dr. Uli Würfel that allowed to study the relation between ink formulation, fabrication processes and solar cells architecture to reach high PCE of 9.4% for the PCE-12:ITIC-based OSCs. Additionally, the nanoscale morphology of NFA based blends was also studied in detail in collaboration with the group of Prof. R.R. Schröder and Dr. M. Pfannmöller at University of Heidelberg. It could be shown that there are specific structures of ITIC after thermal annealing inside the blend. In the second part of the thesis work, the main objective of ink-jet printed polymer blends using novel NFA materials was addressed. To reach the printing requirements of IJP we studied the impact of the non-halogenated solvents processing of the NFA materials on the micro- and nanoscale of the BHJ morphology. First, we identified o-xylene compatible congeners such as PBDB-TF (PM6) polymer and ITIC-4F acceptor to study the ink-jet printing of such photovoltaic blend in air using a semi-industrial printer. Importantly, the dual functionality of the high boiling point co-solvent tetralin was demonstrated that simultaneously improves jettability and open nozzle time during the ink-jet process as well as the layer drying process of the blend. Using optimal printing conditions leaded to polymer solar cells with the efficiency of 10.12% which is the highest efficiency among solar cells using ink-jet printed blend layers processed from non-chlorinated solvents. Residual performance losses compared to devices using SC blend were studied during a stay at University Jaume I in Spain under the supervision of Dr. A. Guerrero by using impedance spectroscopy. In the last chapter of the thesis, the performance of OSCs processed by IJP and doctor blade were optimized for indoor light illumination. In the case of PM6:ITIC-4F blends, solar cells with an efficiency of 14.8% at 200 lux indoor illumination could be processed using 300 nm thick blend layers. The use of the polymer PTQ-10 combined with ITIC-4F could further boost the efficiency at 16% under 200 lux illumination conditions using blend layers up to 500 nm thickness.