Use of block copolymers in organic solar cells : morphology, charge transport and photovoltaic performances

Les matériaux les plus répandus dans le domaine du photovoltaïque (PV) organique à base de polymères sont le poly(3-hexylthiophène) régiorégulier (rr-P3HT) et le [6,6]-phenyl-C61-butyric acide methyl ester (PCBM). La couche active est une hétérojonction en volume (BHJ) de nanodomaines interpénétrés accepteur d’électron (le PCBM) et donneur d’électron (le P3HT). Le contrôle de la morphologie de la couche active et de sa stabilité est un défi majeur pour le développement des cellules organiques et est au centre de ce travail de thèse.Dans un premier temps, nous avons cherché à contrôler la morphologie du mélange P3HT:PCBM via l’utilisation de compatibilisants. Deux familles de copolymères à blocs rigide et souple ont été étudiées. Elles ont en commun leur bloc rigide à base de P3HT et diffèrent par leur bloc souple. Pourla première famille, le bloc souple poly-butylacrylate est greffé de C60, ce qui lui confère une affinité chimique avec les domaines de PCBM, et la seconde famille a un bloc souple poly(4-vinylpiridine) (P4VP) non greffé en C60. De par son affinité chimique avec le C60, le PCBM se localisera préférentiellement au voisinage des domaines P4VP.Dans un deuxième temps, nous avons exploité les propriétés d’auto-assemblages des copolymères à blocs afin de les étudier en tant que matériaux photo-actifs. Nous avons cherché à appréhender l’influence de la nature du bloc flexible let de a taille des blocs souple et rigide sur l’organisation des copolymères ainsi que sur les propriétés de transport de charge et sur les performances PV.Polymer/fullerene bulk heterojunction (BHJ) solar cells use an interpenetrating network of TT-conjugated electron-donor polymers and electron-acceptor C60 as photo-active layer. Currently, the most investigated blends are constituted of regioregular poly(3-hexylthiophene) (rr-P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). The nanostructured active layer determines to great extend the overall performance of the devices.First of all, we introduced rod-coil block copolymers as compatibilizer into P3HT:PCBM blends and investigate their influence on the blend morphology and the related photovoltaic performance. Two P3HT-based block copolymer families have been studied. The first one has a C60-grafted polybutylacrylate coil block and the second one is based on poly(4-vinylpyridine) (P4VP) coil block. The film morphology and device efficiencies are investigated as a function of copolymer content, P3HT/PCBM mass ratio and coil nature.A second possible route to obtain a stable donor/acceptor nanostructure consists of using semiconductor block copolymers as photoactive layer, since these materials are able to self-assemble into donor/acceptor BHJ by microphase separation. We explored P3HT-P4VP rod-coil block copolymers blended with PCBM in view of their utilization in photovoltaic devices. The copolymer selfassembles into nano-domains rich in either P3HT or P4VP, while the strong chemical affinity of P4VP with PCBM leads to an accumulation of the latter in the P4VP domains, providing them an acceptorcharacter. It is found that organized and thermally stable thin films, that exhibit ambipolar field effect mobilities, can be achieved for a specific rod/coil ratio