Synthesis and characterization of new Fe-NHC complexes applicable to DSSC solar cell

Ces travaux de thèse se situent dans un domaine au cœur des préoccupations actuelles qui est le développement de nouveaux complexes photoactifs utilisant des métaux abondants pour remplacer les métaux nobles dans les dispositifs à énergie renouvelable. De nouvelles familles de complexes précurseurs ou sensibilisateurs potentiels pour les cellules DSSC (Dye-sensitized solar cells) à base de fer et de ligands tridentates pyridyl-carbènes (FeNHC) ont été préparées et caractérisées. L’objectif, à côté de l’aspect applicatif pour l’énergie, est d’accroître les connaissances dans l’étude des relations structure-propriétés dans les complexes homoleptiques Fe-NHC portant des ligands pyridyl-bisimidazolylidènes par modification du noyau central, du groupe de greffage et de la géométrie de coordination. Après mise au point de la synthèse, les complexes ont fait l’objet de différentes caractérisations photophysiques, électrochimiques et théoriques. Un nouveau record de durée de vie des états excités MLCT a été obtenu avec des complexes à noyau pyrazine (32 ps). L’optimisation géométrique, c’est-à-dire le design de ligands permettant d’obtenir une géométrie de coordination octaédrique idéale pour induire un champ de ligand fort a été étudiée. Nous avons obtenu les complexes recherchés (structure attestée par diffraction RX) en accroissant la distance entre le cœur pyridine et les carbènes latéraux. Cette modification induit un décalage bathochrome, mais la conjugaison électronique ainsi que la rigidité du complexe restent à optimiser. Nous avons aussi développé une nouvelle voie de synthèse permettant d’introduire des groupes d’accroche Π-étendus dans le but de limiter la recombinaison de charge après injection dans le semi-conducteur TiO2. Enfin, Le rendement des cellules DSSC a été optimisé par l’incorporation d’un nouvel additif MgI2 dans la composition de l’électrolyte permettant d’atteindre une efficacité de 0.5% inédite pour un complexe de fer. Au final ces travaux de thèse mettent à la disposition de la communauté des outils synthétiques pour la conception de complexes FeII-NHC à durée de vie prolongée à l'état excité, et représentent une étape supplémentaire dans la compréhension des processus photophysiques opérés au sein de ces complexes.This thesis is part of a current concern and high interest research field, which is the development of new photoactive complexes using abundant metals to replace noble metals in renewable energy devices. Novel families of potential sensitizers for DSSC (Dye-sensitized solar cells) based on iron and tridentate pyridyl-carbene ligands (FeNHC) have been prepared and characterized. The aim, besides the application aspect for energy, is to increase the understanding of the structure-property relationships in Fe-NHC homoleptic complexes carrying pyridyl-bisimidazolylidene ligands by modification of the central core, anchoring group and coordination geometry. Once synthesized, the complexes were submitted to various photophysical, electrochemical and theoretical characterizations. A new MLCT excited state lifetime record was obtained with a pyrazine-based complexes (32 ps). The geometric optimization, which means the design of ligands to obtain an ideal octahedral coordination geometry to induce a strong ligand field was studied. X-ray diffraction measurements attested that the desired complexes were obtained by increasing the distance between the pyridine core and the lateral carbenes. This modification induces a bathochromic shift, but the electronic conjugation as well as the rigidity of the complexes remain to be optimized further. We have also developed a novel synthetic route for introducing Π-extended anchoring groups in order to limit the charge recombination after the injection into the TiO2 semiconductor. The efficiency of the DSSC cells was optimized by the incorporation of a new MgI2 additive in the electrolyte composition which led to an unprecedented efficiency of 0.5% for an iron complex. Finally, this thesis offers new synthetic tools for the design of FeII-NHC complexes with extended excited state lifetimes and represents a further step in the understanding of the photophysical processes operated within this type of iron complexes