Préparation et caractérisation de mélanges photoactifs pour la photovoltaïque organique et l’impression 3D

Abstract

Face aux enjeux liés à la transition énergétique et à la quête de performance des dispositifs, le développement de matériaux fonctionnels connaît un essor considérable. Parmi ces derniers, les composés organiques π-conjugués se distinguent par leurs propriétés optoélectroniques modulables et leur durabilité dans les dispositifs optoélectroniques de pointe tels que les cellules solaires et les diodes électroluminescentes. Dans ce contexte d’amélioration de l’efficacité et de la mise en forme des couches actives de ces dispositifs, ce mémoire porte sur la préparation et la caractérisation de mélanges photoactifs destinés à la photovoltaïque organique et à l’impression 3D. L'objectif principal consiste à établir des relations structure-mise en forme-propriété pour des formulations à base de systèmes π- conjugués aromatiques pour des couches minces et des architectures 3D. D'abord, la section sur la photovoltaïque organique se décline en deux volets, allant de l’état de l’art jusqu’aux avancées expérimentales réalisées en laboratoire. D’une part, la rédaction d’un chapitre de livre a été effectuée afin de présenter la littérature récente portant sur la photovoltaïque organique en condition d’éclairage intérieur. D’autre part, l’influence de la rigidité conformationnelle des accepteurs non-fullerènes (NFA) et de la longueur de leur chaîne carbonée sur les propriétés optoélectroniques du mélange a été étudiée, montrant que les structures linéaires plus rigides avec des chaînes carbonés modérément longues offrent de performances supérieures en termes d’extinction de fluorescence et en solubilité que les structures angulaires aux chaînes plus courtes. Néanmoins, les résultats d’efficacité photovoltaïque ont montré que l’intégration d’un NFA rigide n’est pas favorable, car celui-ci limite le réarrangement moléculaire pendant le dépôt et la solidification de la couche active, entravant l’optimisation de la microstructure. Ensuite, des formulations photopolymérisables intégrant des dérivés de carbazole ont été développées et évaluées pour leur potentiel en impression 3D par stéréolithographie à masque (mSLA). La structure des carbazoles influence l’intensité et la position des maxima d’émission, selon la longueur de chaîne aliphatique et la proximité des insaturations avec le noyau carbazole, respectivement. Dans les mélanges covalents photodurcis la polarité/flexibilité de l'agent de réticulation entraîne un léger décalage spectral, suggérant une influence de l'environnement local sur les propriétés photophysiques du carbazole. Le choix du photoamorceur influence la cinétique et l’homogénéité en profondeur du durcissement, paramètres cruciaux en impression 3D. Ceux-ci peuvent également être influencés par la polarité/flexibilité de l'agent de réticulation. Enfin, la dernière partie de l’ouvrage porte sur la synthèse et la caractérisation de composés photochromes destinés à la photopolymérisation en cuve par technologie mSLA, dans le but d’exploiter la fonctionnalité photochrome de ces chromophores en impression 3D. In light of the challenges associated with the energy transition and the ongoing pursuit of enhanced energy conversion device performance, the development of functional materials is experiencing considerable growth. Among these, π-conjugated organic compounds stand out for their tunable optoelectronic properties and their durability in advanced optoelectronic devices such as organic solar cells and light-emitting diodes. In this context of improving the efficiency and processability of the active layers of these devices, this thesis focuses on the preparation and characterization of photoactive mixtures for organic photovoltaics and 3D printing. The main objective is to establish structure-processing-property relationships for formulations based on aromatic π-conjugated systems for thin films and 3D architectures. Firstly, the section on organic photovoltaics is divided into two parts, ranging from the state of the art to experimental advances made in the laboratory. On the one hand, a book chapter was written to present recent literature on organic photovoltaics under indoor lighting conditions. On the other hand, the influence of the conformational rigidity of non-fullerene acceptors (NFA) and the length of their carbon chains on the optoelectronic properties of the mixture was studied, showing that more rigid linear structures with moderately long carbon chains offer superior performance in terms of fluorescence quenching and solubility than angular structures with shorter chains. Nevertheless, photovoltaic efficiency results showed that the integration of a rigid NFA is not favorable, as it limits molecular rearrangement during the deposition and solidification of the active layer, hindering microstructure optimization. Next, photopolymerizable formulations incorporating carbazole derivatives were developed and evaluated for their potential in 3D printing using masked stereolithography apparatus (mSLA). The structure of carbazoles influences emission intensity and maxima position, depending on the length of the aliphatic chain and the proximity of unsaturations to the carbazole core, respectively. In photopolymerized covalent mixtures, the polarity/flexibility of the crosslinking agent causes a slight spectral shift, suggesting an influence of the local environment on the photophysical properties of carbazole. The choice of photoinitiator influences the kinetics and depth homogeneity of curing, which are crucial parameters in 3D printing. These can also be influenced by the polarity/flexibility of the crosslinking agent. Finally, the last part focuses on the synthesis and characterization of photochromic compounds intended for vat photopolymerization using mSLA technology, with the aim of exploiting the photochromic functionality of these chromophores in 3D printing.