Design, synthesis and characterization of new organic semi-conductors for photovoltaics / Chunxiang Chen  

Public ISBD Titre : Design, synthesis and characterization of new organic semi-conductors for photovoltaics Titre original : Conception, synthèse et caractérisation de nouveaux semi-conducteurs organiques pour le photovoltaïque Type de document : texte imprimé Auteurs : Chunxiang Chen, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse Année de publication : 2016 Langues : Anglais (eng) Tags : ORGANIC SEMICONDUCTOR  ORGANIC PHOTOVOLTAICS  SYNTHESIS  CHARACTERIZATION SEMI-CONDUCTEURS ORGANIQUES  PLANTES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES  SYNTHÈSE  CARACTÉRISATION Résumé : "Organic solar cells appear as a promising technology to meet future energy requirements, owing to their low production costs, their great flexibility and their ability to be integrated into light devices. Currently, they exhibit modest performances in photoconversion, thus new active molecules with optimized structural properties need to be developed. This work comes in that aim: on the basis of theoretical calculations with density functional theory, new organic semiconductors have been designed and synthesized. For this, the more economical and cleaner syntheses techniques have been employed. Thus, the coupling of the benzothiadiazole with thiophene carboxhaldehyde via direct heteroarylation without additive nor ligand is performed with success for the first time. According to green chemistry techniques, five molecules are thus isolated in only two steps. The study of their optical and electronic properties by means of different spectroscopic techniques (UV/vis, fluorescence) and electrochemistry, of their thermal properties, and of their ability to self-organize have revealed their promising abilities for use in organic photovoltaics. A series of small molecules based on dithienosilole (DTS) core have also been designed via DFT computations. The calculations show their considerable low bandgap. Their syntheses have been conducted. It anticipates their promising potential for organic photovoltaic applications. Finally, a purely theoretical work has been completed on molecules derived from boron subphthalocyanines. The calculations predict interesting electronic properties for these new materials that may lead to promising performances in organic photovoltaics, paving the way for innovative materials." "Les cellules photovoltaïques organiques sont une technologie prometteuse pour répondre aux besoins futurs en énergie. Elles présentent de faibles coûts de production, peuvent être réalisées sur substrats flexibles et s'intègrent dans des dispositifs légers. Une voie d'amélioration du rendement de photoconversion est la conception de nouvelles molécules actives présentant des propriétés structurales optimisées. Le présent travail s'inscrit dans cette dynamique: sur la base de calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité, de nouveaux semiconducteurs organiques ont été conçus puis synthétisés. Pour cela, des techniques de synthèses les plus économiques et les moins polluantes possible ont été mises en œuvre. Ainsi, le couplage du benzothiadiazole avec le thiophène carboxhaldéhyde par hétéroarylation directe sans additif ni ligand est utilisé avec succès pour la première fois selon des techniques de chimie verte. Cinq molécules sont ainsi isolées en seulement deux étapes. L'étude de leurs propriétés optiques et électroniques par différentes techniques spectroscopiques (UV/vis, fluorescence) et par électrochimie, de leurs propriétés thermiques, et de leur aptitude à s'auto-organiser ont permis de révéler leur aptitude prometteuse pour une utilisation en photovoltaïque organique. Une série de molécules dérivées du fragment dithiénosilole (DTS) ont été également étudiées par calculs de DFT. Les résultats obtenus montrent que ces dérivés présentent des largeurs de bande interdite très faibles, ce qui constitue un atout pour leur utilisation en cellule photovoltaïque. Ces résultats ont par conséquent motivé leur synthèse. Enfin, un travail purement théorique a été réalisé sur des molécules dérivées des subphthalocyanines de bore. Les calculs effectués révèlent des propriétés électroniques originales pour ces nouveaux matériaux qui devraient mener à des performances intéressantes pour le photovoltaïque organique, ouvrant ainsi la voie vers des matériaux innovants et prometteurs." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 19/07/2016 Ecole_doctorale : École Doctorale Sciences de la Matière (SdM) Domaine : Sciences et Génie des Matériaux Localisation : LCC En ligne : https://theses.fr/2016TOU30108 Design, synthesis and characterization of new organic semi-conductors for photovoltaics = Conception, synthèse et caractérisation de nouveaux semi-conducteurs organiques pour le photovoltaïque [texte imprimé] / Chunxiang Chen, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse . - 2016. Langues : Anglais (eng) Tags : ORGANIC SEMICONDUCTOR  ORGANIC PHOTOVOLTAICS  SYNTHESIS  CHARACTERIZATION SEMI-CONDUCTEURS ORGANIQUES  PLANTES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES  SYNTHÈSE  CARACTÉRISATION Résumé : "Organic solar cells appear as a promising technology to meet future energy requirements, owing to their low production costs, their great flexibility and their ability to be integrated into light devices. Currently, they exhibit modest performances in photoconversion, thus new active molecules with optimized structural properties need to be developed. This work comes in that aim: on the basis of theoretical calculations with density functional theory, new organic semiconductors have been designed and synthesized. For this, the more economical and cleaner syntheses techniques have been employed. Thus, the coupling of the benzothiadiazole with thiophene carboxhaldehyde via direct heteroarylation without additive nor ligand is performed with success for the first time. According to green chemistry techniques, five molecules are thus isolated in only two steps. The study of their optical and electronic properties by means of different spectroscopic techniques (UV/vis, fluorescence) and electrochemistry, of their thermal properties, and of their ability to self-organize have revealed their promising abilities for use in organic photovoltaics. A series of small molecules based on dithienosilole (DTS) core have also been designed via DFT computations. The calculations show their considerable low bandgap. Their syntheses have been conducted. It anticipates their promising potential for organic photovoltaic applications. Finally, a purely theoretical work has been completed on molecules derived from boron subphthalocyanines. The calculations predict interesting electronic properties for these new materials that may lead to promising performances in organic photovoltaics, paving the way for innovative materials." "Les cellules photovoltaïques organiques sont une technologie prometteuse pour répondre aux besoins futurs en énergie. Elles présentent de faibles coûts de production, peuvent être réalisées sur substrats flexibles et s'intègrent dans des dispositifs légers. Une voie d'amélioration du rendement de photoconversion est la conception de nouvelles molécules actives présentant des propriétés structurales optimisées. Le présent travail s'inscrit dans cette dynamique: sur la base de calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité, de nouveaux semiconducteurs organiques ont été conçus puis synthétisés. Pour cela, des techniques de synthèses les plus économiques et les moins polluantes possible ont été mises en œuvre. Ainsi, le couplage du benzothiadiazole avec le thiophène carboxhaldéhyde par hétéroarylation directe sans additif ni ligand est utilisé avec succès pour la première fois selon des techniques de chimie verte. Cinq molécules sont ainsi isolées en seulement deux étapes. L'étude de leurs propriétés optiques et électroniques par différentes techniques spectroscopiques (UV/vis, fluorescence) et par électrochimie, de leurs propriétés thermiques, et de leur aptitude à s'auto-organiser ont permis de révéler leur aptitude prometteuse pour une utilisation en photovoltaïque organique. Une série de molécules dérivées du fragment dithiénosilole (DTS) ont été également étudiées par calculs de DFT. Les résultats obtenus montrent que ces dérivés présentent des largeurs de bande interdite très faibles, ce qui constitue un atout pour leur utilisation en cellule photovoltaïque. Ces résultats ont par conséquent motivé leur synthèse. Enfin, un travail purement théorique a été réalisé sur des molécules dérivées des subphthalocyanines de bore. Les calculs effectués révèlent des propriétés électroniques originales pour ces nouveaux matériaux qui devraient mener à des performances intéressantes pour le photovoltaïque organique, ouvrant ainsi la voie vers des matériaux innovants et prometteurs." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 19/07/2016 Ecole_doctorale : École Doctorale Sciences de la Matière (SdM) Domaine : Sciences et Génie des Matériaux Localisation : LCC En ligne : https://theses.fr/2016TOU30108

Photovoltaïque organique : étude des interactions électroniques aux interfaces des hétérojonctions organiques / Damien Le Borgne  

Public ISBD Titre : Photovoltaïque organique : étude des interactions électroniques aux interfaces des hétérojonctions organiques Titre original : Organic photovoltaics : study of electronic interactions at interfaces in organic heterojunctions Type de document : texte imprimé Auteurs : Damien Le Borgne, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse ; Christina Villeneuve-Faure, Directeur de thèse Année de publication : 2016 Langues : Français (fre) Tags : PHOTOVOLTAÏQUE ORGANIQUE  PETITES MOLÉCULES SEMI-CONDUCTRICES  MATÉRIAUX CONJUGUÉS  HÉTÉROARYLATION DIRECTE  AFM  C-AFM  SPECTROMÉTRIE RAMAN  PROPRIÉTÉS OPTOÉLECTRONIQUES ORGANIC PHOTOVOLTAICS  SMALL SEMICONDUCTOR MOLECULES  CONJUGATED MATERIALS  DIRECT HETEROARYLATION  RAMAN SPECTROMETRY  OPTOELECTRONIC PROPERTIES Résumé : "Du fait de leur faible coût de production et de leur intégration possible sur substrat flexible, les cellules photovoltaïques organiques sont prometteuses pour répondre aux besoins futurs en énergie. Leurs performances reposent sur l'architecture de la cellule et sur la nature des matériaux choisis. Par conséquent, le contrôle à l'échelle nanométrique de la couche active (formation de nanodomaines purs, organisation moléculaire...), ainsi que le développement de nouvelles molécules aux propriétés électroniques et structurales optimisées apparaissent comme des paramètres clés. Dans ce contexte, les travaux présentés dans cette thèse visent à étudier le lien entre la morphologie des films minces et les propriétés de transport à l'échelle nanométrique en fonction des matériaux actifs utilisés. Pour cela deux voies ont été explorées. La première voie repose sur l'utilisation des propriétés d'auto-organisation des cristaux liquides pour améliorer la formation et l'organisation de nanodomaines. Pour cette étude, nous avons choisi d'associer un donneur d'électron classique, le poly-3-hexylthiophène (P3HT), et de le mélanger avec un complexe de nickel [Ni(4dopedt)2] possédant des propriétés cristallines liquides colonnaires. L'étude par Microscopie à Force Atomique (AFM), Conductive-AFM (C-AFM), absorption UV-visible et spectrométrie Raman des films de mélanges démontre l'effet structurant du cristal liquide sur les chaînes de P3HT, en fonction de l'épaisseur de la couche et des traitements thermiques effectués. La deuxième voie explorée repose sur l'ingénierie moléculaire. Suite à une étude bibliographique, nous avons conçu puis synthétisé différentes petites molécules fluorées capables d'agir comme accepteurs d'électrons. Leur synthèse est réalisée en plusieurs étapes, privilégiant une méthode de couplage innovante, l'hétéroarylation directe. Les molécules obtenues ont été caractérisées par les techniques analytiques classiques, puis soumises à une étude de relation structures/propriétés. D'une part, les analyses optiques, électrochimique et thermique ont révélé leur grande stabilité et leur intérêt potentiel pour l'application visée. D'autre part, leur étude en film mince, par spectroscopie d'absorption UV-visible, de fluorescence et par AFM, révèle l'influence de la substitution du squelette conjugué par des atomes de fluor ainsi que de la modification des chaînes alkyles des groupements terminaux sur les propriétés optoélectroniques et structurelles des molécules." "Organic solar cells appear as a promising technology to meet future energy requirements, owing to their low production costs, their great flexibility and their ability to be integrated into light devices. Their performances rely on their architecture and the nature of the chosen materials. As a consequence, two of the key parameters for their development are the control the active layer at a nanometric scale (molecular organisation and the formation of pure compound nanodomains) and the development of new small molecules with optimized electronic and structural properties. This work comes in that aim : the study of the relation between thin film morphology and transport properties at the nanometric scale as function of the chosen materials. Two ways have been explored. The first way relied on self-organisation properties of a liquid crystal for improving the formation and organisation of nanodomains. In this purpose, we have associated a well-known electron donor, the poly-3-hexylthiophene (P3HT), with a complex of nickel, named as [Ni(4dopedt)2], exhibiting columnar liquid crystal properties. Atomic Force Microscopy (AFM), Conductive-AFM (C-AFM), UV-visible absorption and Raman spectroscopy on bulk films have shown the structuring effect of the liquid crystal on the P3HT chains as a function of the films thicknesses and thermal annealing. The second way was based on molecular engineering. Following a bibliographic study, we have designed and synthetized different fluorinated small molecules with electron acceptor capability. For this, a more economical and cleaner synthesis technique has been employed: the direct arylation. These molecules have been characterized by classical analytic technics, and a study of the relation between structure and properties has been carried out. On the one hand, optical, electrochemical and thermal analyses have shown their good stability and their potential for the aimed application. On the other hand, their study in thin film by UV-visible absorption, fluorescence and AFM have shown the influence of backbone substitution by fluorine atoms as well as the impact of the nature of alkyl end chains on the optoelectronic and structural properties of these molecules." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 04/10/2016 Ecole_doctorale : École Doctorale Sciences de la Matière (SdM)) Domaine : Chimie Moléculaire Localisation : LCC En ligne : https://theses.fr/2016TOU30147 Photovoltaïque organique : étude des interactions électroniques aux interfaces des hétérojonctions organiques = Organic photovoltaics : study of electronic interactions at interfaces in organic heterojunctions [texte imprimé] / Damien Le Borgne, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse ; Christina Villeneuve-Faure, Directeur de thèse . - 2016. Langues : Français (fre) Tags : PHOTOVOLTAÏQUE ORGANIQUE  PETITES MOLÉCULES SEMI-CONDUCTRICES  MATÉRIAUX CONJUGUÉS  HÉTÉROARYLATION DIRECTE  AFM  C-AFM  SPECTROMÉTRIE RAMAN  PROPRIÉTÉS OPTOÉLECTRONIQUES ORGANIC PHOTOVOLTAICS  SMALL SEMICONDUCTOR MOLECULES  CONJUGATED MATERIALS  DIRECT HETEROARYLATION  RAMAN SPECTROMETRY  OPTOELECTRONIC PROPERTIES Résumé : "Du fait de leur faible coût de production et de leur intégration possible sur substrat flexible, les cellules photovoltaïques organiques sont prometteuses pour répondre aux besoins futurs en énergie. Leurs performances reposent sur l'architecture de la cellule et sur la nature des matériaux choisis. Par conséquent, le contrôle à l'échelle nanométrique de la couche active (formation de nanodomaines purs, organisation moléculaire...), ainsi que le développement de nouvelles molécules aux propriétés électroniques et structurales optimisées apparaissent comme des paramètres clés. Dans ce contexte, les travaux présentés dans cette thèse visent à étudier le lien entre la morphologie des films minces et les propriétés de transport à l'échelle nanométrique en fonction des matériaux actifs utilisés. Pour cela deux voies ont été explorées. La première voie repose sur l'utilisation des propriétés d'auto-organisation des cristaux liquides pour améliorer la formation et l'organisation de nanodomaines. Pour cette étude, nous avons choisi d'associer un donneur d'électron classique, le poly-3-hexylthiophène (P3HT), et de le mélanger avec un complexe de nickel [Ni(4dopedt)2] possédant des propriétés cristallines liquides colonnaires. L'étude par Microscopie à Force Atomique (AFM), Conductive-AFM (C-AFM), absorption UV-visible et spectrométrie Raman des films de mélanges démontre l'effet structurant du cristal liquide sur les chaînes de P3HT, en fonction de l'épaisseur de la couche et des traitements thermiques effectués. La deuxième voie explorée repose sur l'ingénierie moléculaire. Suite à une étude bibliographique, nous avons conçu puis synthétisé différentes petites molécules fluorées capables d'agir comme accepteurs d'électrons. Leur synthèse est réalisée en plusieurs étapes, privilégiant une méthode de couplage innovante, l'hétéroarylation directe. Les molécules obtenues ont été caractérisées par les techniques analytiques classiques, puis soumises à une étude de relation structures/propriétés. D'une part, les analyses optiques, électrochimique et thermique ont révélé leur grande stabilité et leur intérêt potentiel pour l'application visée. D'autre part, leur étude en film mince, par spectroscopie d'absorption UV-visible, de fluorescence et par AFM, révèle l'influence de la substitution du squelette conjugué par des atomes de fluor ainsi que de la modification des chaînes alkyles des groupements terminaux sur les propriétés optoélectroniques et structurelles des molécules." "Organic solar cells appear as a promising technology to meet future energy requirements, owing to their low production costs, their great flexibility and their ability to be integrated into light devices. Their performances rely on their architecture and the nature of the chosen materials. As a consequence, two of the key parameters for their development are the control the active layer at a nanometric scale (molecular organisation and the formation of pure compound nanodomains) and the development of new small molecules with optimized electronic and structural properties. This work comes in that aim : the study of the relation between thin film morphology and transport properties at the nanometric scale as function of the chosen materials. Two ways have been explored. The first way relied on self-organisation properties of a liquid crystal for improving the formation and organisation of nanodomains. In this purpose, we have associated a well-known electron donor, the poly-3-hexylthiophene (P3HT), with a complex of nickel, named as [Ni(4dopedt)2], exhibiting columnar liquid crystal properties. Atomic Force Microscopy (AFM), Conductive-AFM (C-AFM), UV-visible absorption and Raman spectroscopy on bulk films have shown the structuring effect of the liquid crystal on the P3HT chains as a function of the films thicknesses and thermal annealing. The second way was based on molecular engineering. Following a bibliographic study, we have designed and synthetized different fluorinated small molecules with electron acceptor capability. For this, a more economical and cleaner synthesis technique has been employed: the direct arylation. These molecules have been characterized by classical analytic technics, and a study of the relation between structure and properties has been carried out. On the one hand, optical, electrochemical and thermal analyses have shown their good stability and their potential for the aimed application. On the other hand, their study in thin film by UV-visible absorption, fluorescence and AFM have shown the influence of backbone substitution by fluorine atoms as well as the impact of the nature of alkyl end chains on the optoelectronic and structural properties of these molecules." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 04/10/2016 Ecole_doctorale : École Doctorale Sciences de la Matière (SdM)) Domaine : Chimie Moléculaire Localisation : LCC En ligne : https://theses.fr/2016TOU30147

Organic photovoltaics : study of thin films morphology, design, synthesis, synthesis of new small molecules and their study in bulk heterojunction devices / Daniel Hernandez Maldonado  

Public ISBD Titre : Organic photovoltaics : study of thin films morphology, design, synthesis, synthesis of new small molecules and their study in bulk heterojunction devices Titre original : Photovoltaïque organique : étude de la morphologie de films minces, conception, synthèse et étude de petites molécules pour leur utilisation en hétérojonction en volume dans des dispositifs photovoltaïques. Type de document : texte imprimé Auteurs : Daniel Hernandez Maldonado, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse Année de publication : 2015 Langues : Anglais (eng) Tags : MOLECULES ORGANIZATION  BLEND MORPHOLOGY  MOLECULAR ENGINEERING  LOW BAND GAP MATERIALS  P3HT  NI-BDT  CHARGE TRANSFER  SILOCAO  BZ(T1CAO)2  BZ(T1CAEH)2  BHJS  ORGANIC SOLAR CELLS ORGANISATION MOLÉCULAIRE  MORPHOLOGIE DES MÉLANGES  INGÉNIERIE MOLÉCULAIRE  MATÉRIAUX À FAIBLE BANDE INTERDITE  TRANSFERT DE CHARGE  CELLULES SOLAIRES ORGANIQUES Résumé : "Optoeletronic properties of semiconducting polymeric/small molecules materials are highly influenced by molecules organization. In particular, photoconversion efficiency of organic devices may be correlated directly with their blend morphology. Therefore, a better understanding of the blend film morphology evolution during postproduction treatment and device performance is essential and needed. On the other hand, molecular engineering is a good way to module the band gap of molecules by alternating different electron acceptor or electron donor moieties which may lead to an improved internal charge transfer and a low band gap to achieve important Voc and Jsc, and consequently a good OPV performance. In the present work, we present a comprehensive study in solution and on thin films of pristine P3HT and of some nickel bisdithiolene complexes (Ni-bdt), and their blends, in order to understand how poly(3-hexylthiophene) P3HT interacts with the nickel core with the aim of understanding eventual organization phenomena. The main goal of this study is to understand materials organization and the charge transfer effect between donor and acceptor molecules, rather than focalize on a high photoconversion yields. In addition, we have developed 3 new low band gap small molecules, SilOCAO, Bz(T1CAO)2 and Bz(T1CAEH)2 with innovating synthetic methodologies and interesting applications to be used in thin film bulk heterojunctions (BHJs) for organic photovoltaics. These molecules were strategically designed via semi-empirical calculations (B3LYP/6-31G*) to match their energetic levels (LUMO and HOMO) with those of nickel bisdithiolene family towards a performing charge transfer. The syntheses of SilOCAO, Bz(T1CAO)2 and Bz(T1CAEH)2 have been described. These molecules have been fully-characterized by different techniques such as UV-Visible Spectroscopy, Electroluminescence, Nuclear Magnetic resonance (NMR), Mass Spectroscopy (MS), Electrochemistry, Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Moreover, we have performed organic solar cells prototypes with some promising results, specifically for SilOCAO as the electron-donor in counterpart of the PC71BM as the electron-acceptor. This work is a fruitful collaboration between several laboratories, researchers, technical servers and students from LAAS and LAPLACE in France, and IIM (UNAM) and CIO in Mexico." "Les propriétés des matériaux organiques pour l'optoélectronique à base de polymères ou de petites molécules sont fortement influencées par l'organisation moléculaire. En particulier, l'efficacité de la photoconversion dans les dispositifs à base de films minces organiques peut être corrélée directement à la morphologie de leurs mélanges actifs. Par conséquent, une meilleure compréhension de l'évolution de la morphologie des films minces pendant les divers traitements effectués lors de leur élaboration est essentielle et nécessaire. D'autre part, l'ingénierie moléculaire est un outil crucial pour l'obtention de molécules basées sur des alternances de fragments accepteurs d'électrons ou donneurs d'électrons et présentant des valeurs de gap électronique optimales et conduisant à des dispositifs aux paramètres de photoconversion optimisés.Dans le présent travail, nous présentons une étude approfondie en solution et sur des films minces de poly-3-hexylthiophène (P3HT) pur et en mélange avec des complexes de nickel (Ni-bdt). Le but était de comprendre comment le P3HT interagit avec les complexes de nickel pour contrôler des phénomènes d'organisation éventuels. L'objectif principal de cette étude est de comprendre l'organisation moléculaires au sein des films organiques et son impact sur le transfert de charge entre les matériaux afin d'optimiser les rendements de photoconversion. En outre, nous avons conçu et synthétisé trois nouvelles molécules à faible gap électronique, nommées SilOCAO, Bz(T1CAO)2 et Bz(T1CAEH)2 selon des méthodologies de synthèse optimisées. Ces molécules ont été conçues avec l'appui de calculs semi-empiriques effectués avec le programme Gaussian 09 au niveau B3LYP/6-31G* dans le but de les associer éventuellement aux complexes de nickel. Leurs synthèses et caractérisations complètes sont décrites en détail. Les techniques analytiques utilisées sont la spectroscopie d'absorption UV-visible, la photoluminescence, la résonance magnétique nucléaire (RMN), la spectroscopie de masse, l'électrochimie, l'analyse thermogravimétrique (TGA) et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Ces molécules présentant des propriétés intéressantes pour leur utilisation en photovoltaïque organique, nous avons réalisé des cellules solaires organiques prototypes. Les résultats obtenus sont prometteurs, en particulier dans le cas de la molécule SilOCAO, utilisée ici comme donneur d'électrons en association avec le PC71BM. Ce travail est le fruit d'une collaboration précieuse entre plusieurs chercheurs, des théoriciens et expérimentateurs, des laboratoires LAAS et LAPLACE à Toulouse (France), de l'Université Autonome Nationale de Mexico (UNAM) et du Centre de Recherche en Optique (CIO) de Leon (Mexique)." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 16/07/2015 Ecole_doctorale : Science de la Matière (SdM) Domaine : Chimie Moléculaire Localisation : LCC En ligne : https://theses.fr/2015TOU30103 Organic photovoltaics : study of thin films morphology, design, synthesis, synthesis of new small molecules and their study in bulk heterojunction devices = Photovoltaïque organique : étude de la morphologie de films minces, conception, synthèse et étude de petites molécules pour leur utilisation en hétérojonction en volume dans des dispositifs photovoltaïques. [texte imprimé] / Daniel Hernandez Maldonado, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse . - 2015. Langues : Anglais (eng) Tags : MOLECULES ORGANIZATION  BLEND MORPHOLOGY  MOLECULAR ENGINEERING  LOW BAND GAP MATERIALS  P3HT  NI-BDT  CHARGE TRANSFER  SILOCAO  BZ(T1CAO)2  BZ(T1CAEH)2  BHJS  ORGANIC SOLAR CELLS ORGANISATION MOLÉCULAIRE  MORPHOLOGIE DES MÉLANGES  INGÉNIERIE MOLÉCULAIRE  MATÉRIAUX À FAIBLE BANDE INTERDITE  TRANSFERT DE CHARGE  CELLULES SOLAIRES ORGANIQUES Résumé : "Optoeletronic properties of semiconducting polymeric/small molecules materials are highly influenced by molecules organization. In particular, photoconversion efficiency of organic devices may be correlated directly with their blend morphology. Therefore, a better understanding of the blend film morphology evolution during postproduction treatment and device performance is essential and needed. On the other hand, molecular engineering is a good way to module the band gap of molecules by alternating different electron acceptor or electron donor moieties which may lead to an improved internal charge transfer and a low band gap to achieve important Voc and Jsc, and consequently a good OPV performance. In the present work, we present a comprehensive study in solution and on thin films of pristine P3HT and of some nickel bisdithiolene complexes (Ni-bdt), and their blends, in order to understand how poly(3-hexylthiophene) P3HT interacts with the nickel core with the aim of understanding eventual organization phenomena. The main goal of this study is to understand materials organization and the charge transfer effect between donor and acceptor molecules, rather than focalize on a high photoconversion yields. In addition, we have developed 3 new low band gap small molecules, SilOCAO, Bz(T1CAO)2 and Bz(T1CAEH)2 with innovating synthetic methodologies and interesting applications to be used in thin film bulk heterojunctions (BHJs) for organic photovoltaics. These molecules were strategically designed via semi-empirical calculations (B3LYP/6-31G*) to match their energetic levels (LUMO and HOMO) with those of nickel bisdithiolene family towards a performing charge transfer. The syntheses of SilOCAO, Bz(T1CAO)2 and Bz(T1CAEH)2 have been described. These molecules have been fully-characterized by different techniques such as UV-Visible Spectroscopy, Electroluminescence, Nuclear Magnetic resonance (NMR), Mass Spectroscopy (MS), Electrochemistry, Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Moreover, we have performed organic solar cells prototypes with some promising results, specifically for SilOCAO as the electron-donor in counterpart of the PC71BM as the electron-acceptor. This work is a fruitful collaboration between several laboratories, researchers, technical servers and students from LAAS and LAPLACE in France, and IIM (UNAM) and CIO in Mexico." "Les propriétés des matériaux organiques pour l'optoélectronique à base de polymères ou de petites molécules sont fortement influencées par l'organisation moléculaire. En particulier, l'efficacité de la photoconversion dans les dispositifs à base de films minces organiques peut être corrélée directement à la morphologie de leurs mélanges actifs. Par conséquent, une meilleure compréhension de l'évolution de la morphologie des films minces pendant les divers traitements effectués lors de leur élaboration est essentielle et nécessaire. D'autre part, l'ingénierie moléculaire est un outil crucial pour l'obtention de molécules basées sur des alternances de fragments accepteurs d'électrons ou donneurs d'électrons et présentant des valeurs de gap électronique optimales et conduisant à des dispositifs aux paramètres de photoconversion optimisés.Dans le présent travail, nous présentons une étude approfondie en solution et sur des films minces de poly-3-hexylthiophène (P3HT) pur et en mélange avec des complexes de nickel (Ni-bdt). Le but était de comprendre comment le P3HT interagit avec les complexes de nickel pour contrôler des phénomènes d'organisation éventuels. L'objectif principal de cette étude est de comprendre l'organisation moléculaires au sein des films organiques et son impact sur le transfert de charge entre les matériaux afin d'optimiser les rendements de photoconversion. En outre, nous avons conçu et synthétisé trois nouvelles molécules à faible gap électronique, nommées SilOCAO, Bz(T1CAO)2 et Bz(T1CAEH)2 selon des méthodologies de synthèse optimisées. Ces molécules ont été conçues avec l'appui de calculs semi-empiriques effectués avec le programme Gaussian 09 au niveau B3LYP/6-31G* dans le but de les associer éventuellement aux complexes de nickel. Leurs synthèses et caractérisations complètes sont décrites en détail. Les techniques analytiques utilisées sont la spectroscopie d'absorption UV-visible, la photoluminescence, la résonance magnétique nucléaire (RMN), la spectroscopie de masse, l'électrochimie, l'analyse thermogravimétrique (TGA) et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Ces molécules présentant des propriétés intéressantes pour leur utilisation en photovoltaïque organique, nous avons réalisé des cellules solaires organiques prototypes. Les résultats obtenus sont prometteurs, en particulier dans le cas de la molécule SilOCAO, utilisée ici comme donneur d'électrons en association avec le PC71BM. Ce travail est le fruit d'une collaboration précieuse entre plusieurs chercheurs, des théoriciens et expérimentateurs, des laboratoires LAAS et LAPLACE à Toulouse (France), de l'Université Autonome Nationale de Mexico (UNAM) et du Centre de Recherche en Optique (CIO) de Leon (Mexique)." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 16/07/2015 Ecole_doctorale : Science de la Matière (SdM) Domaine : Chimie Moléculaire Localisation : LCC En ligne : https://theses.fr/2015TOU30103

Synthesis and characterization of molecular materials for organic photovoltaic application / Thanh-Tuan Bui  

Public ISBD Titre : Synthesis and characterization of molecular materials for organic photovoltaic application Titre original : Synthèse et caractérisation de matériaux moléculaires pour applications photovoltaïques organiques Type de document : texte imprimé Auteurs : Thanh-Tuan Bui, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse ; Bénédicte Garreau-de-Bonneval, Directeur de thèse Année de publication : 2010 Langues : Anglais (eng) Tags : COORDINATION CHEMISTRY  ORGANIC CHEMISTRY  MOLECULAR MATERIALS  ORGANIC PHOTOVOLTAICS  BISDITHIOLENE METAL COMPLEX  LIQUID CRYSTAL  NEAR INFRARED CHIMIE DE COORDINATION  CHIMIE ORGANIQUE  MATÉRIAUX MOLÉCULAIRES  PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES  COMPLEXE MÉTALLIQUE DE BISDITHOLÈNE  CRISTAUX LIQUIDES  PROCHE INFRAROUGE Résumé : "This work is part of a project funded by the ANR dedicated to the design of a new type of organic photovoltaic cell. The goal is to design a new device architecture, bilayer or multilayer, composed of two columnar liquid crystalline molecular materials (electron donor and electron acceptor). This thesis describes the synthesis and characterization of new electron acceptor materials combining several properties: thermal stability and stability in air, capability of self-organize into columnar liquid crystals, strong absorption in near infrared and infrared spectral domain. The choice is the neutral nickel bisdithiolene complexes. Several series of complexes have been synthesized with dpedt (diphenyl-ethylenedithiolate) ligands. Their physicochemical behaviors were characterized by using different techniques: differential thermal analysis and thermo-gravimetric, polarized light microscopy, cyclic voltammetry and square wave voltammetry, absorption spectroscopy. The results show that they are all very stable in air and heat until 300 °C, they absorb strongly between 750 nm to 1100 nm and they have high electron affinity. In addition, some of these compounds show columnar liquid crystalline phase around 80 to 110 °C, metastable at room temperature in the condensed state. In particular, it is shown that the HOMO-LUMO energy gap of such complexes can be modulated as a function of functional groups grafted on the dpedt ligands. All these properties make these compounds very interesting for photovoltaic application." "Ce travail fait partie d'un projet financé par l'ANR dédié à la conception d'un nouveau type de cellule photovoltaïque organique. Le but est de concevoir un nouveau dispositif de type bicouche ou multicouche, et composé de deux matériaux (donneur et accepteur d'électrons) moléculaires cristaux liquides colonnaires. Ce mémoire de thèse décrit la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux accepteurs combinant plusieurs propriétés : stabilité en température et à l'air, capacité à s'auto-organiser en cristaux liquides colonnaires, absorption forte dans le domaine proche infrarouge et infrarouge. Le choix s'est porté sur des complexes de nickel bisdithiolenes neutres. Plusieurs séries de complexes ont été synthétisées avec des ligands de type dpedt (diphenyl-éthylenedithiolate). Leurs comportements physico-chimiques ont été caractérisés par utilisation de différentes techniques : analyse thermique différentielle et thermogravimétrique, microscopie optique en lumière polarisée, voltammétrie cyclique et voltammétrie à vague carrée, spectrométrie d'absorption. Les résultats montrent qu'ils sont tous très stables à l'air et thermiquement jusqu'à 300°C, qu'ils absorbent fortement entre 750 nm à 1100 nm et qu'ils possèdent une haute affinité électronique. De plus, certains de ces composés présentent en phase condensée une phase cristalline liquide colonnaire autour de 80 à 110°C, métastable à température ambiante. En particulier, il est montré que le gap énergétique entre les niveaux HOMO et LUMO de tels complexes peut être modulé en fonction des groupements fonctionnels portés par les ligands. L'ensemble de ces propriétés rendent ces composés très intéressants pour une application photovoltaïque." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 21/07/2010 Ecole_doctorale : Sciences de la matière (SdM) Domaine : Chimie Moléculaire Localisation : LCC En ligne : https://theses.fr/2010TOU30162 Synthesis and characterization of molecular materials for organic photovoltaic application = Synthèse et caractérisation de matériaux moléculaires pour applications photovoltaïques organiques [texte imprimé] / Thanh-Tuan Bui, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse ; Bénédicte Garreau-de-Bonneval, Directeur de thèse . - 2010. Langues : Anglais (eng) Tags : COORDINATION CHEMISTRY  ORGANIC CHEMISTRY  MOLECULAR MATERIALS  ORGANIC PHOTOVOLTAICS  BISDITHIOLENE METAL COMPLEX  LIQUID CRYSTAL  NEAR INFRARED CHIMIE DE COORDINATION  CHIMIE ORGANIQUE  MATÉRIAUX MOLÉCULAIRES  PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES  COMPLEXE MÉTALLIQUE DE BISDITHOLÈNE  CRISTAUX LIQUIDES  PROCHE INFRAROUGE Résumé : "This work is part of a project funded by the ANR dedicated to the design of a new type of organic photovoltaic cell. The goal is to design a new device architecture, bilayer or multilayer, composed of two columnar liquid crystalline molecular materials (electron donor and electron acceptor). This thesis describes the synthesis and characterization of new electron acceptor materials combining several properties: thermal stability and stability in air, capability of self-organize into columnar liquid crystals, strong absorption in near infrared and infrared spectral domain. The choice is the neutral nickel bisdithiolene complexes. Several series of complexes have been synthesized with dpedt (diphenyl-ethylenedithiolate) ligands. Their physicochemical behaviors were characterized by using different techniques: differential thermal analysis and thermo-gravimetric, polarized light microscopy, cyclic voltammetry and square wave voltammetry, absorption spectroscopy. The results show that they are all very stable in air and heat until 300 °C, they absorb strongly between 750 nm to 1100 nm and they have high electron affinity. In addition, some of these compounds show columnar liquid crystalline phase around 80 to 110 °C, metastable at room temperature in the condensed state. In particular, it is shown that the HOMO-LUMO energy gap of such complexes can be modulated as a function of functional groups grafted on the dpedt ligands. All these properties make these compounds very interesting for photovoltaic application." "Ce travail fait partie d'un projet financé par l'ANR dédié à la conception d'un nouveau type de cellule photovoltaïque organique. Le but est de concevoir un nouveau dispositif de type bicouche ou multicouche, et composé de deux matériaux (donneur et accepteur d'électrons) moléculaires cristaux liquides colonnaires. Ce mémoire de thèse décrit la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux accepteurs combinant plusieurs propriétés : stabilité en température et à l'air, capacité à s'auto-organiser en cristaux liquides colonnaires, absorption forte dans le domaine proche infrarouge et infrarouge. Le choix s'est porté sur des complexes de nickel bisdithiolenes neutres. Plusieurs séries de complexes ont été synthétisées avec des ligands de type dpedt (diphenyl-éthylenedithiolate). Leurs comportements physico-chimiques ont été caractérisés par utilisation de différentes techniques : analyse thermique différentielle et thermogravimétrique, microscopie optique en lumière polarisée, voltammétrie cyclique et voltammétrie à vague carrée, spectrométrie d'absorption. Les résultats montrent qu'ils sont tous très stables à l'air et thermiquement jusqu'à 300°C, qu'ils absorbent fortement entre 750 nm à 1100 nm et qu'ils possèdent une haute affinité électronique. De plus, certains de ces composés présentent en phase condensée une phase cristalline liquide colonnaire autour de 80 à 110°C, métastable à température ambiante. En particulier, il est montré que le gap énergétique entre les niveaux HOMO et LUMO de tels complexes peut être modulé en fonction des groupements fonctionnels portés par les ligands. L'ensemble de ces propriétés rendent ces composés très intéressants pour une application photovoltaïque." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 21/07/2010 Ecole_doctorale : Sciences de la matière (SdM) Domaine : Chimie Moléculaire Localisation : LCC En ligne : https://theses.fr/2010TOU30162

Synthèse et étude de matériaux moléculaires pour application photovoltaïque / Vuong, Thi Minh Ha  

Public ISBD Titre : Synthèse et étude de matériaux moléculaires pour application photovoltaïque Titre original : Synthesis and study of molecular materials for photovoltaic applications Type de document : texte imprimé Auteurs : Vuong, Thi Minh Ha, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse ; Bénédicte Garreau-de-Bonneval, Directeur de thèse Année de publication : 2012 Langues : Français (fre) Tags : COMPLEXES DE NICKEL BIS-DITHIOLENE  FORTE ABSORPTION DANS LA RÉGION PROCHE IR  HÉTÉROLEPTIQUE  MÉTATHÈSES  PHOTOVOLTAÏQUE ORGANIQUE NICKEL BIS-DITHIOLENE COMPLEXES  STRONG ABSORPTION IN THE NEAR-INFRARED REGION  HETEROLEPTIC  METATHESES  ORGANIC PHOTOVOLTAIC Résumé : "Ce travail fait partie d'un projet financé par l'ANR et dédié à la réalisation de cellules photovoltaïques organiques. Nous proposons ici l'utilisation de complexes bis-dithiolène comme candidats potentiels pour la conception de nouveaux matériaux absorbant fortement la lumière solaire dans le proche infrarouge. Notre objectif est de greffer ces complexes (accepteurs d'électrons) sur des polymères (donneurs d'électrons) synthétisés par notre partenaire bordelais, du Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (LCPO), afin d'obtenir des mélanges intimes donneur-accepteur et d'optimiser deux paramètres essentiels : la morphologie du mélange et le spectre d'absorption de la couche active. Pour cela, la fonctionnalisation de ces complexes est une étape incontournable pour les greffer sur les polymères. Les synthèses et les caractéristiques de complexes dissymétriques thioalkylés sont décrites. Parmi ces complexes, les molécules C1b et C1c, contiennent une seule chaîne thioalkyle fonctionnalisée [SR = C6H12OH et SR = C5H10NHBOC] permettant leur greffage sur un squelette polymère donneur (collaboration avec le LCPO). Des études de photoluminescence réalisées en solution montrent qu'un transfert d'énergie photo-induit s'établit entre le polymère et le complexe bis-dithiolène ainsi greffé qui agit donc comme accepteur potentiel. Néanmoins, les premiers tests sur cellule prototype semblent indiquer le rôle isolant des chaînes alkyles qui s'opposent au transfert de charges en film mince. Afin de favoriser ultérieurement les transferts électroniques avec le polymère donneur, nous avons décidé de poursuivre ce travail en utilisant des complexes sur lesquels nous avons introduit des noyaux phényles en périphérie du cœur bis-dithiolène. Plusieurs voies synthétiques ont été développées, parmi lesquelles la réaction de métathèse s'est révélée la plus efficace. Les résultats montrent que l'on peut ainsi obtenir des complexes absorbant entre 800 et 1010 nm et les analyses électrochimiques permettent d'évaluer leurs niveaux HOMO et LUMO. Nous montrons en outre qu'il est possible de prédire les caractéristiques électroniques du complexe visé, connaissant celles de molécules impliquées dans la métathèse." "This work is part of a project funded by the ANR and dedicated to the design of a new type of organic photovoltaic cells. Here we propose the use of bis-dithiolene complexes as potential candidates for new materials that absorb strongly the sunlight in the near infrared region. Our goal is to graft these complexes (electron acceptor) on polymers (electron donor) synthesized by our partner Bordeaux, Laboratory of Organic Polymer Chemistry (LCPO) to obtain homogeneous mixtures and donor-acceptor and to optimize two essential parameters: the morphology of the mixture and the absorption spectrum of the active layer. For this purpose, the functionalization of these complexes is an essential step for grafting them on polymer. The synthesis and characteristics of dissymmetrical thioalkyle complexes are described. Among these complexes, the molecules containing a single thioalkyle functionalized [SR = C6H12OH and SR = C5H10NHBOC] allow their grafting onto a polymer donor (collaboration with the LCPO). Photoluminescence studies performed in solution show that photo-induced energy transfer occurs between the polymer and the grafted complex acting thus as a potential acceptor. However, the initial tests on prototype cell suggest the insulating role of alkyl chains that prevent the charge transfer in thin film. To encourage further electronic transfers with the donor polymer, we decided to continue this work using complexes where we introduced the phenyl rings at the periphery of bis-dithiolene core. Several synthetic routes were developed; in which the metathesis reaction has proved most effective. The results show that the complexes absorb between 800 and 1010 nm. The electrochemical analyses give rise to their HOMO and LUMO levels. We further show that it is possible to predict the electronic characteristics of the complex, knowing those of the parents molecules involved in metathesis reaction." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 24/09/2012 Ecole_doctorale : Sciences de la Matière (SdM) Domaine : Sciences des Matériaux En ligne : https://theses.fr/2012TOU30136 Synthèse et étude de matériaux moléculaires pour application photovoltaïque = Synthesis and study of molecular materials for photovoltaic applications [texte imprimé] / Vuong, Thi Minh Ha, Auteur ; Kathleen Moineau Chane-Ching, Directeur de thèse ; Bénédicte Garreau-de-Bonneval, Directeur de thèse . - 2012. Langues : Français (fre) Tags : COMPLEXES DE NICKEL BIS-DITHIOLENE  FORTE ABSORPTION DANS LA RÉGION PROCHE IR  HÉTÉROLEPTIQUE  MÉTATHÈSES  PHOTOVOLTAÏQUE ORGANIQUE NICKEL BIS-DITHIOLENE COMPLEXES  STRONG ABSORPTION IN THE NEAR-INFRARED REGION  HETEROLEPTIC  METATHESES  ORGANIC PHOTOVOLTAIC Résumé : "Ce travail fait partie d'un projet financé par l'ANR et dédié à la réalisation de cellules photovoltaïques organiques. Nous proposons ici l'utilisation de complexes bis-dithiolène comme candidats potentiels pour la conception de nouveaux matériaux absorbant fortement la lumière solaire dans le proche infrarouge. Notre objectif est de greffer ces complexes (accepteurs d'électrons) sur des polymères (donneurs d'électrons) synthétisés par notre partenaire bordelais, du Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (LCPO), afin d'obtenir des mélanges intimes donneur-accepteur et d'optimiser deux paramètres essentiels : la morphologie du mélange et le spectre d'absorption de la couche active. Pour cela, la fonctionnalisation de ces complexes est une étape incontournable pour les greffer sur les polymères. Les synthèses et les caractéristiques de complexes dissymétriques thioalkylés sont décrites. Parmi ces complexes, les molécules C1b et C1c, contiennent une seule chaîne thioalkyle fonctionnalisée [SR = C6H12OH et SR = C5H10NHBOC] permettant leur greffage sur un squelette polymère donneur (collaboration avec le LCPO). Des études de photoluminescence réalisées en solution montrent qu'un transfert d'énergie photo-induit s'établit entre le polymère et le complexe bis-dithiolène ainsi greffé qui agit donc comme accepteur potentiel. Néanmoins, les premiers tests sur cellule prototype semblent indiquer le rôle isolant des chaînes alkyles qui s'opposent au transfert de charges en film mince. Afin de favoriser ultérieurement les transferts électroniques avec le polymère donneur, nous avons décidé de poursuivre ce travail en utilisant des complexes sur lesquels nous avons introduit des noyaux phényles en périphérie du cœur bis-dithiolène. Plusieurs voies synthétiques ont été développées, parmi lesquelles la réaction de métathèse s'est révélée la plus efficace. Les résultats montrent que l'on peut ainsi obtenir des complexes absorbant entre 800 et 1010 nm et les analyses électrochimiques permettent d'évaluer leurs niveaux HOMO et LUMO. Nous montrons en outre qu'il est possible de prédire les caractéristiques électroniques du complexe visé, connaissant celles de molécules impliquées dans la métathèse." "This work is part of a project funded by the ANR and dedicated to the design of a new type of organic photovoltaic cells. Here we propose the use of bis-dithiolene complexes as potential candidates for new materials that absorb strongly the sunlight in the near infrared region. Our goal is to graft these complexes (electron acceptor) on polymers (electron donor) synthesized by our partner Bordeaux, Laboratory of Organic Polymer Chemistry (LCPO) to obtain homogeneous mixtures and donor-acceptor and to optimize two essential parameters: the morphology of the mixture and the absorption spectrum of the active layer. For this purpose, the functionalization of these complexes is an essential step for grafting them on polymer. The synthesis and characteristics of dissymmetrical thioalkyle complexes are described. Among these complexes, the molecules containing a single thioalkyle functionalized [SR = C6H12OH and SR = C5H10NHBOC] allow their grafting onto a polymer donor (collaboration with the LCPO). Photoluminescence studies performed in solution show that photo-induced energy transfer occurs between the polymer and the grafted complex acting thus as a potential acceptor. However, the initial tests on prototype cell suggest the insulating role of alkyl chains that prevent the charge transfer in thin film. To encourage further electronic transfers with the donor polymer, we decided to continue this work using complexes where we introduced the phenyl rings at the periphery of bis-dithiolene core. Several synthetic routes were developed; in which the metathesis reaction has proved most effective. The results show that the complexes absorb between 800 and 1010 nm. The electrochemical analyses give rise to their HOMO and LUMO levels. We further show that it is possible to predict the electronic characteristics of the complex, knowing those of the parents molecules involved in metathesis reaction." Document : Thèse de Doctorat Etablissement_delivrance : Université de Toulouse 3 Date_soutenance : 24/09/2012 Ecole_doctorale : Sciences de la Matière (SdM) Domaine : Sciences des Matériaux En ligne : https://theses.fr/2012TOU30136

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