Soutenance de thèse de Anass KHODR

Le marché des appareils connectés et de l'Internet des Objets (IoT) a suscité un intérêt pour la technologie photovoltaïque organique (OPV) en intérieur. Cet intérêt est stimulé par des progrès révolutionnaires, notamment l'émergence de nouveaux acceptateurs non-fullerènes (NFA) atteignant des efficacités supérieures à 19 % sous éclairage solaire. Les OPV croissent rapidement grâce à leurs propriétés uniques telles que l'absorption ajustable, la flexibilité, le faible coût, la légèreté, la variation des couleurs et la possibilité de traiter de grandes surfaces. Ces caractéristiques rendent les OPV attractives pour les applications IoT, les positionnant comme une source d'énergie écologique prometteuse pour remplacer les batteries, avec des efficacités en intérieur dépassant 36 %. Cependant, la plupart des procédés OPV utilisent des solvants toxiques et halogénés (comme le chloroforme et le chlorobenzène) et des additifs. Cela pose des préoccupations écologiques importantes et des défis pour l'industrialisation, nécessitant des formulations plus écologiques. Cette thèse vise à développer des mélanges écologiques basés sur des NFAs novateurs mais disponibles commercialement, avec des efficacités élevées en intérieur. Ces mélanges doivent être compatibles avec diverses techniques de dépôt dans des conditions inertes et ambiantes, et tolérer des couches plus épaisses (200-300 nm), typiques des procédés à grande échelle. L'objectif final est de transférer ces formulations aux processus industriels grâce à l'expertise de notre partenaire, Dracula Technologies, pionniers des OPV imprimés par jet d'encre spécialement conçus pour les applications en intérieur. Nous avons relevé plusieurs défis, en commençant par comprendre les exigences uniques de l'éclairage intérieur par rapport à l'éclairage solaire conventionnel. Nous avons examiné l'effet de la température de couleur de la lumière en utilisant un mélange donneur-accepteur bien étudié de PM6 : ITIC-4F, dissous dans un mélange de solvants non halogénés de o-xylène et tétrahydronaphtalène (Tétraline). Ce mélange a montré un potentiel pour l'impression par jet d'encre, mais avec des efficacités réduites (12-15 %) sous éclairage LED intérieur (6500K-2700K) à 1000 lux et une faible tolérance pour une épaisseur accrue de la couche active. Ensuite, nous avons remplacé le polymère donneur PM6 par un polymère à plus large bande interdite nécessaire pour les systèmes efficaces en intérieur. Ce remplacement a entraîné une augmentation des efficacités (17-21 %) sous éclairage LED intérieur à 1000 lux et a montré une bonne tolérance pour des couches plus épaisses jusqu'à 390 nm, avec une tension de circuit ouvert (Voc) autour de 0.79V. Pour améliorer les performances et le Voc, nous avons remplacé l'ITIC-4F par le nouvel acceptateur FCC-Cl, qui a une bande interdite plus large (1.71 eV contre 1.55 eV pour l'ITIC-4F). Simultanément, nous avons substitué la Tétraline par le DPE, plus écologique, qui a montré des améliorations significatives pour les OPV à base de NFAs. Ce système a atteint un Voc juste en dessous de 1V (environ 0.96-0.98V) à 1000 lux sous éclairage intérieur, avec des efficacités élevées jusqu'à 21-22 % pour des couches fines et épaisses, traitées dans des conditions inertes et ambiantes. La dernière étape consistait à tester le transfert à l'impression par jet d'encre. Nous avons réussi à imprimer par jet d'encre des couches pour les systèmes TPD-3F : ITIC-4F et TPD-3F : FCC-Cl, mais les performances des cellules solaires restent à optimiser. En résumé, cette thèse répond au besoin crucial de formulations plus écologiques pour la technologie OPV, en développant des solutions efficaces et respectueuses de l'environnement pour les applications IoT en intérieur, posant ainsi les bases pour une future mise en œuvre industrielle.

The growing market of connected and intelligent devices, along with the rise of the Internet of Things (IoT), has sparked significant interest in utilizing Organic Photovoltaic (OPV) technology for indoor applications. This interest is driven by revolutionary developments, particularly the emergence of novel non-fullerene acceptors (NFAs) that achieve conventional high efficiencies exceeding 19% under solar illumination. OPVs are experiencing rapid growth due to their unique properties such as tuneable absorption, flexibility, low cost, lightweight, colour variation, and large-area processability. These attributes make OPVs highly desirable for IoT applications, positioning them as a promising integrated eco-friendly energy source to replace batteries, with current indoor efficiencies surpassing 36%. Despite these high performances, most OPV processing involves toxic and halogenated solvents (like chloroform:CF and chlorobenzene:CB) and additives. This raises significant ecological concerns and challenges for industrialization, necessitating the development of greener formulations. This thesis addresses these issues with the primary goal of developing green blends based on novel but commercially available NFAs with high indoor efficiencies. These blends must be compatible with various deposition techniques under both inert and ambient conditions and should tolerate thicker layers (200-300 nm), which are typical for large-scale deposition processes. The ultimate objective is to transfer these formulations to industrial processes using the expertise of our industrial partner, Dracula Technologies, pioneers in inkjet-printed OPVs specifically designed for indoor applications. Throughout this thesis, we tackled several challenges, beginning with understanding the unique requirements of indoor illumination compared to conventional solar illumination. We examined the effect of light temperature color using a well-studied donor-acceptor blend of PM6: ITIC-4F, dissolved in a non-halogenated solvent mixture of o-xylene and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (Tetralin). This blend showed promise for inkjet printing but demonstrated reduced efficiencies (12-15%) under indoor LED (6500K-2700K) illumination at 1000 lux and had low tolerance for increased active layer thickness using typical spin coating deposition techniques. Next, we replaced the donor polymer PM6 with a wider band gap polymer necessary for efficient indoor systems. This substitution, using the same formulation, resulted in an impressive increase in efficiencies (17-21%) under indoor LED illumination at 1000 lux and showed good tolerance for thicker layers up to 390 nm, maintaining efficiencies with an open-circuit voltage (Voc) around 0.79V. To further improve performance and Voc, we replaced ITIC-4F with the novel FCC-Cl acceptor, which has a wider band gap (1.71 eV compared to ITIC-4F's 1.55 eV). Simultaneously, we substituted Tetralin with a greener alternative, DPE, which demonstrated significant improvements for NFAs-based OPVs. This system achieved Voc just under 1V (around 0.96-0.98V) at 1000 lux under indoor illumination, with high efficiencies up to 21-22% for both thin and thick layers, processed in inert and ambient conditions. The final step was to test the transfer to inkjet printing. We successfully demonstrated the possibility of inkjet-printing layers for both TPD-3F:ITIC-4F and TPD-3F:FCC-Cl systems. However, conclusive results in terms of solar cell performance were not achieved. In summary, this thesis addresses the critical need for greener formulations in OPV technology, advancing the development of high-efficiency, eco-friendly solutions for indoor IoT applications, and laying the groundwork for future industrial-scale implementation.