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Discotic Liquid Crystals as Organic Semiconductors for Photovoltaic Device Applications

by Tant, Julien

Abstract (Summary)
Les sources d'énergie renouvelable connaissent un essor grandissant. Parmi celles-ci se trouvent les cellules photovoltaïques. Elles ont pour objet la transformation de la lumière en électricité. Les dispositifs actuels, basés sur le silicium, nécessitent des matériaux de très grande pureté et de hautes températures de mise en œuvre, les empêchant de concurrencer les principales sources d’énergie actuelles (fossile, nucléaire). Une alternative pourrait provenir des matériaux semi-conducteurs organiques. En effet, l’utilisation de méthodes de mise en œuvre à partir de solutions pourrait permettre la fabrication de dispositifs flexibles et bon marché. Des résultats encourageants ont été obtenus avec des polymères conjugués et de petites molécules organiques. Les cristaux liquides discotiques CLDs forment une catégorie particulièrement intéressante de matériaux. Ils ont en effet la capacité de s’organiser spontanément en colonnes de molécules, formant des semi-conducteurs à une dimension. Leurs propriétés intéressantes en tant que semi-conducteurs, combinées à une mise en œuvre facile, en font de bons candidats pour de futures applications. Dans ce travail, deux familles complémentaires de matériaux discotiques ont été développées, formant une paire de semi-conducteurs de type n et p. Leurs structures chimiques ont été étudiées en vue d'obtenir des matériaux possédant un ensemble de propriétés choisies afin d’optimiser les paramètres clefs du processus de photo-génération de charges. Ces propriétés sont les suivantes: forte absorption de la lumière dans le visible, fort caractère semi-conducteur de type n ou p, pas de phase cristalline à température ambiante, présence d'une phase cristal liquide colonne, phase isotrope en dessous de 200°C. De plus, les matériaux doivent être accessibles en un nombre minimum d’étapes d’une synthèse efficace, et ce avec un haut niveau de pureté. Ils doivent également être fortement solubles dans les solvants organiques usuels. Cette étude comporte, pour chacune des deux familles de matériaux, le design de leur structure chimique, leur synthèse et la caractérisation de leurs propriétés physiques (thermotropes, optoélectroniques, électrochimiques). Comme possible semi-conducteur de type p, cinq dérivés tétrasubstitués de la phthalocyanine non-métallée ont été synthétisés, donnant un matériau possédant l’ensemble des propriétés recherchées. Comme possible semi-conducteur de type n, six dérivés hexasubstitués de l’hexaazatrinaphthylène ont été étudiés. L’un d’eux possède les propriétés requises. Finalement, les propriétés optoélectroniques et photovoltaïques de mélanges des deux matériaux les plus prometteurs, ensemble ou avec d’autres matériaux, ont été étudiées. Des cellules solaires de rendement maximum de 1 % ont été obtenues pour deux dispositifs de compositions différentes. Ces rendements, bien qu’inférieurs à ceux obtenus précédemment par d’autres groupes (jusqu’à 34 % à ce jour), sont néanmoins révélateurs des potentialités des matériaux organiques, et plus particulièrement des cristaux liquides discotiques, pour de futures applications dans le domaine des dispositifs électroniques.
Bibliographical Information:

Advisor:Geerts, Yves; Baeyens ­-Volant, Danielle; Kirsch-De Mesmaeker, Andrée; Cornil, Jérôme; Friend, Richard; Bjørnholm, Thomas

School:Université libre de Bruxelles

School Location:Belgium

Source Type:Master's Thesis

Keywords:materials photovoltaic organic semiconductors liquid crystals device

ISBN:

Date of Publication:09/30/2004

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