Development and characterization of indoor photovoltaics cells based on non-fullerene acceptors for industrial inkjet printing

Développement et caractérisation de cellules photovoltaïques pour application en milieu intérieur à base d'accepteurs non-fullerènes pour l'impression industrielle à jet d'encre 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