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. Actuellement, elles restent au stade du prototype, leurs performances en photoconversion étant encore trop modestes. 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 théoriques utilisant le programme ORCA 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. Quatre molécules sont ainsi isolées en seulement deux étapes, et sont nommées Bz(T1CAO)2, Bz(T1CAEH)2, Bz(T2CAO)2 et Bz(T2CAEH)2. 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 au niveau B3LYP/ Def2-TZVP(-f). 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. Ces composés ayant été utilisés avec succès en cellule photovoltaïques organiques, et afin de mettre à profit le savoir-faire acquis au cours de la première partie de la thèse, nous avons envisagé de les coupler chimiquement avec les molécules de type Bz(T1CAO)2 ou Bz(T2CAO)2 . Pour cela, et afin de guider le travail exigeant de synthèse, nous avons utilisé les calculs théoriques comme outil prédictif afin de valider l’intérêt des nouveaux composés envisagés. 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. |
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 are still at the prototype stage due to their too 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 using the OCRA program with density functional theory (DFT), 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, four molecules are thus isolated in only two steps, named as Bz(T1CAO)2, Bz(T1CAEH)2, Bz(T2CAO)2, and Bz(T2CAEH)2. 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 at B3LYP/ Def2-TZVP(-f) level. 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. These compounds have been successfully used in organic solar cells, and in order to take advantage of the knowledge previously acquired during the first part of the thesis, we planned to chemically couple a boron subphthalocyanine with molecules like Bz(T1CAO)2 or Bz(T2CAO)2. For that, and to guide the demanding work of synthesis, we used theoretical calculations as a predictive tool to validate the interest of the proposed new structures. 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. |