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Optimisation des mat´ eriaux d’´ electrodes dans les diodes ´ electroluminescen

Optimisation des mat´ eriaux d’´ electrodes dans les diodes ´ electroluminescentes et les cellules solaires organiques Habiba Bejbouji To cite this version: Habiba Bejbouji. Optimisation des mat´ eriaux d’´ electrodes dans les diodes ´ electroluminescentes et les cellules solaires organiques. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Universit´ e Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2009. French. <tel-01005217> HAL Id: tel-01005217 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01005217 Submitted on 12 Jun 2014 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. N° d’ordre : 3897 THESE Présentée à L’UNIVERSITE HASSAN PREMIER Par HABIBA BEJBOUJI Pour obtenir le grade de DOCTEUR Spécialité : Electronique *************************** OPTIMISATION DES MATERIAUX D’ELECTRODES DANS LES DIODES ELECTROLUMINESCENTES ORGANIQUES ET LES CELLULES SOLAIRES ORGANIQUES ************************** Soutenue le 04 décembre 2009 Après avis de : M. M. E. Achour, Professeur, Université Ibn Tofail, Maroc Rapporteur M. K. Lmimouni, Maître de conférences (HDR), Université de Lille 1 Rapporteur Devant la commission d’examen formée de : M. M. E. ACHOUR, Professeur, Université Ibn Tofail, Maroc Président M. K. Lmimouni, Maître de conférences (HDR), Université de Lille 1, Rapporteur M. M. Harmouchi, Professeur, Université Hassan1er, Maroc Examinateur M. J.L. Miane, Professeur-Industriel, Entreprise «Imiwave Technologie» Examinateur M. E. Oualim, Professeur, Université Hassan 1er, Maroc Examinateur Mme L.Vignau, Maître de conférences, Université Bordeaux 1 Examinateur M. J.P. Parneix, Professeur, Université Bordeaux1 Examinateur M. A. Mouhsen, Professeur, Université Hassan 1er, Maroc Examinateur -2009- 1 Table des matières Chapitre 1 : Matériaux organiques conjugués ........................................................................ 7 1.1 Les polymères conjugués semi-conducteurs ...................................................................... 8 1.1.1 Structure chimique .......................................................................................................................... 8 1.1.2 Les structures électroniques de quelques polymères conjugués ...................................................... 8 1.2 Les polymères conducteurs ............................................................................................... 12 1.2.1 Le processus de "dopage" .............................................................................................................. 12 1.2.2 Les porteurs de charges : solitons, polarons, bipolarons ............................................................... 14 1.2.3 Un exemple de polymère conjugué : la polyaniline ...................................................................... 16 Chapitre 2 : Applications potentielles des matériaux conjugués dans les diodes électroluminescentes organiques et les cellules photovoltaïques organiques ....................... 25 2.1 Un exemple de dispositif électronique organique : Les OLEDs .................................... 25 2.1.1 Introduction ................................................................................................................................... 25 2.1.2 Structure et fonctionnement des diodes électroluminescentes organiques .................................... 28 2.1.3 L’injection des porteurs de charges ............................................................................................... 30 2.1.4 Création et désexcitation radiative de l’exciton ............................................................................ 42 2.1.5 Molécules utilisées pour les structures multicouches .................................................................... 43 2.1.6 Dopage des couches organiques .................................................................................................... 45 2.1.7 Les rendements .............................................................................................................................. 45 2.2 Les cellules photovoltaïques organiques .......................................................................... 47 2.2.1 Motivation et historique sur les OPVCs ........................................................................................ 47 2.2.2 Effet photovoltaïque et le rayonnement solaire ............................................................................. 52 2.2.3 Paramètres des cellules photovoltaïques ....................................................................................... 55 2.2.4 Circuit équivalent d’une cellule solaire ......................................................................................... 57 2.2.5 Structure des cellules photovoltaïques organiques ........................................................................ 58 Chapitre 3 : Partie expérimentale ........................................................................................... 61 3.1 Réalisation des dispositifs (OLEDs et OPVCs) ............................................................... 61 3.1.1 Structure des dispositifs (OLEDs et OPVCs) ................................................................................ 61 3.1.2 Gravure et traitement de l’ITO ...................................................................................................... 62 3.1.3 Dépôt des couches organiques ...................................................................................................... 62 3.1.4 Dépôt de la cathode métallique par évaporation sous vide ............................................................ 64 3.2 Caractérisation des composants ....................................................................................... 65 3.2.1 Caractéristiques électriques des OLEDs ....................................................................................... 65 3.2.2 Caractéristiques électriques des cellules solaires organiques ........................................................ 65 3.2.3 Mesure des épaisseurs ................................................................................................................... 66 3.2.4 Microscopie à force atomique AFM.............................................................................................. 66 3.2.5 Spectroscopie d’absorption UV-Visible ........................................................................................ 66 3.2.6 Diffraction des rayons X ............................................................................................................... 66 3.2.7 Voltamétrie cyclique ..................................................................................................................... 67 3.3 Optimisation de la couche active pour les OPVCs .......................................................... 68 3.3.1 Effet du solvant ............................................................................................................................. 68 3.3.2 Utilisation du chlorobenzène (CB) ................................................................................................ 69 3.3.3 Utilisation du THN ........................................................................................................................ 76 3.3.4 Utilisation de l’ODCB ................................................................................................................... 83 Chapitre 4 : Optimisation de l’anode dans les OLEDs et OPVCs rigides ............................. 85 4.1 Optimisation de l’anode dans les OLEDs ........................................................................ 85 4.1.1 Polyaniline hydrosoluble ............................................................................................................... 85 4.1.2 Polyaniline dispersée dans des solvants organiques ...................................................................... 90 4.2 Optimisation de l’anode dans les cellules solaires organiques (OPVCs) ....................... 96 2 4.2.1 Electrode à base de polyaniline et d’ITO ...................................................................................... 96 4.2.2 Electrode en Polyaniline et latex de PEDOT hydrosolubles ....................................................... 108 4.2.3 PANI ou latex de PEDOT seul conducteur sur du verre comme électrode dans les OPVCs ...... 119 4.2.4 Evolution des performances des OPVCs dans le temps .............................................................. 121 Chapitre 5 : Optimisation des cellules flexibles ................................................................... 126 Introduction ................................................................................................................................... 126 5.1 Les nanotubes de carbone : généralités .......................................................................... 127 5.1.1 Introduction aux NTC ................................................................................................................. 127 5.2 Structure et morphologie................................................................................................. 128 5.3 Les propriétés des NTC ................................................................................................... 130 5.3.1 Les propriétés électroniques ........................................................................................................ 130 5.3.2 Les propriétés mécaniques .......................................................................................................... 131 5.3.3 Propriétés thermiques .................................................................................................................. 132 5.3.4 Méthodes de synthèse des NTC .................................................................................................. 132 5.3.5 Application potentielles des NTC comme électrode dans les dispositifs en optoélectronique .... 135 5.4 Procédure expérimentale ................................................................................................. 138 5.4.1 Purification des NTC ................................................................................................................... 138 5.4.2 Séparation des NTC .................................................................................................................... 139 5.4.3 Transfert du film.......................................................................................................................... 141 5.4.4 Les Résultats ............................................................................................................................... 142 3 Introduction Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre d’un partenariat entre le laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système (IMS) à l’université de Bordeaux 1 en France, et le laboratoire d’Optique Appliquée et Transfert d’Energie à l’université Hassan 1 de Settat au Maroc. Mon travail de thèse consistait à optimiser les matériaux des électrodes dans les diodes électroluminescentes organiques (PLEDs) et les cellules photovoltaïques organiques (OPVCs). Les polymères conjugués ont suscité un intérêt croissant durant ces deux dernières décennies, grâce à leurs propriétés spécifiques électriques et optiques. En effet, ils combinent les propriétés des polymères à savoir leur facilité de mise en œuvre avec celles des semi conducteurs en l’occurrence, l’absorption et l’émission de la lumière ainsi qu’une possible variation de leur conductivité. Ceci les rend des bons candidats pour les diodes électroluminescentes organiques et les cellules solaires organiques Dans ce travail une stratégie a été proposée et mise en œuvre pour optimiser des matériaux nouveaux comme électrode pour les PLEDs et les OPVCs afin d’accéder à des substrats flexibles. Plusieurs matériaux ont été testés provenant de deux sociétés (Paniplast-Rescoll et Ormecon), d’autres ont été élaborés en collaboration avec le laboratoire de Chimie de Polymères Organiques (LCPO) à l’université de Bordeaux1 en France. Les critères de choix tenaient compte de leurs bonnes propriétés de transport, de leurs spectres d’absorption optique et de leurs niveaux énergétiques. L’influence du pH, la conductivité, la nature du dopant, les niveaux HOMO et LUMO et le solvant sur les performances des dispositifs ont été étudiés. L’ensemble des travaux de recherche élaborés durant ces années de préparation de la présente thèse sont développés dans le présent manuscrit comme suit : Le premier chapitre rappelle d’abord les généralités sur les matériaux conjugués, leurs propriétés et mécanismes de fonctionnement. Le deuxième chapitre introduit les généralités sur les PLEDs et les OPVCs, les matériaux publiés par la communauté scientifique ainsi que la présentation des principaux travaux publiés dans ces domaines. Le troisième chapitre traite des matériaux exploités dans ce travail et le dispositif expérimental mis en œuvre pour l’élaboration de composants, ainsi que de la description des techniques de caractérisations utilisées. Nous avons effectué dans cette partie une optimisation de la couche active en étudiant l’effet de la concentration du donneur et de l’accepteur, le solvant, le recuit sur les performances des OPVCs. 4 Les résultats de la caractérisation des matériaux et de l’étude des cellules photovoltaïques en configuration bicouche, en outre les caractérisations des PLEDs sont donnés dans le quatrième chapitre. Le dernier chapitre décrit l’utilisation des nanotubes de carbone comme électrodes dans les cellules solaires. On parle aussi de la purification et la séparation des nanotubes de carbone (NTC) [préparés dans le cadre de mon stage au Canada à l’université de Montréal (UDEM) et l’université du Québec à Montréal (UQAM) ] en citant les travaux les plus importants et les plus récents qui traitent de l’utilisation des NTC dans l’optoélectronique (OLED, OPVCs et les transistors). Nous les avons caractérisé en faisant appel aux techniques d’analyse Raman, AFM, UV-Vis et TEM. 5 ABREVIATIONS Général PLED : Diode électroluminescente organique OPVC : Cellule photovoltaïque organique ITO : Oxyde d’indium et d’étain HOMO : Orbitale moléculaire occupée la plus haute LUMO : Orbitale moléculaire inoccupée la plus basse ET : Electrode de travail ER : Electrode de référence CE : Contre électrode Symboles l : Longueur d’onde Le : Efficacité lumneuse (Cd/A) Re : Efficacité énergétique (Lm/w) Eg : Energie de la bande interdite (gap) L : Luminance (Cd/m2) I : Courant (A) V : Tension(V) Isc : Courant de court circuit (A) Voc : Tension à circuit ouvert (V) FF : Facteur de forme h : Rendement J : Densité de courant (A/cm2) D : Décalage du niveau du vide du matériau organique par rapport à celui du métal e : Epaisseur de l’échantillon (nm) e- : Electron h+ : Trou 6 Techniques Expérimentales AFM : Microscopie à uploads/Ingenierie_Lourd/ bejbouji-habiba-2009-pdfnnnnnnnnnnnnnnnnn-pdf.pdf