Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.

The morphology of active layers in organic solar cells plays an important role on the power conversion efficiency (PCE) of these devices. The planar heterojunction and the bulk heterojunction are the most commonly used. However, the ideal morphology for efficiency would be halfway between the two. Indeed, the so called nanostructured heterojunction would increase the surface between active layers of solar cells while promoting the transport of charge carriers. The objective of this thesis is to study the impact of the implementation of nanostructures in organic solar cells on their performance. To this end, we used the thermal nanoimprint lithography (T-NIL) process to nanostructure a layer of P3HT, the donor material, so that it forms a nanostructured interface with PCBM, the acceptor material. To perform nanoimpressions, nanoporous anodized aluminium oxide (AAO) molds were manufactured using the two-step anodization process developed by Masuda et al. These were treated with mold-release agents to facilitate separation with P3HT. FTDS and PDMS were used for this purpose. The results have demonstrated the complexity of execution of the nanoimprinting process. It has been shown that the pressure applied during the process, the surface tension of engaging elements and the dimensions of the mold’s nanopores are critical parameters to achieve successful nanoimpressions. They therefore had to be optimized to achieve this task. Thus, cells having an interface covered with 25% of nanorods 35 nm high could be fabricated successfully. Nanostructured cells showed efficiencies 2.3 ± 0.6 times higher than cells without nanostructures, with so called planar morphology. Furthermore, a solvent has been proposed to reduce interdiffusion between P3HT and PCBM layers capable of altering the nanostructures. This well-known phenomenon occurs during the deposition of PCBM layer with dichloromethane, an orthogonal solvent with these materials. TOF-SIMS measurements showed that limonene acts also as an orthogonal solvent which reduces the interdiffusion between P3HT and PCBM layers. This makes limonene a better orthogonal solvent than dichloromethane with these materials.