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Transferts de charges assistés par les dithiopyrannylidènes dans les cellules solaires et les hétérostructures magnétiques
Stéphane Berny
CEA-IRAMIS/SPCSI et CNRS-UPMC/IPCM
Mardi 23/11/2010, 14h30

Soutenance à (Plan d'accès) :

Amphi J. Perrin, 
Ecole de Chimie de Paris (Paris Tech),
11, rue Pierre et Marie Curie, Paris Vème.


Résumé :

Ce travail de thèse porte sur la compréhension et l’optimisation des processus de transfert de charge assistés par des semi-conducteurs organiques dans des composants électroniques dédiés à la conversion d’énergie (cellules photovoltaïques) et au stockage de l’information (hétérostructures magnétiques).

Nous étudions une nouvelle famille de composés bicycliques quinoïdes, les dithiopyrannylidènes (DITPY), analogues électroniques du tétrathiafulvalène et structurellement proches du rubrène, qui se comportent comme des semi-conducteurs de type p. Dans des cellules photovoltaïques utilisant le DITPY comme matériau donneur, le transfert de charge photoinduit vers l’accepteur PCBM n’est pas efficace. Par contre, l’insertion de couches minces nanostructurées de DITPY entre l’anode métallique et le matériau photoactif (P3HT:PCBM) permet d’améliorer le transfert des charges positives vers le circuit externe. Des mesures à l’échelle locale réalisées par microscope à force atomique en mode détection de courant (CS-AFM) nous permettent de proposer une interprétation mécanistique du principe de fonctionnement de ces couches interfaciales anodiques. L’optimisation du transfert de charge provient d’une réduction considérable des pertes électriques liées aux processus de recombinaisons bimoléculaires entre les électrons et les trous. Par ailleurs, cette compréhension du comportement du contact métal/DITPY a été étendue au domaine de l’électronique polarisée en spin. L’intégration d’une couche ultra-mince de DITPY entre deux électrodes magnétiques de Fe3O4 et de cobalt conduit à un transfert de charges efficace par effet tunnel tout en permettant de conserver les aimantations caractéristiques des deux matériaux inorganiques. Ce résultat ouvre notamment des perspectives dans l’utilisation de barrières tunnel à base de DITPY dans des hétérojonctions magnétiques.


Abstract:

This PhD thesis is based on the understanding and on the optimization of charge transfer processes driven by organic semiconductors, which occur into electrical components for energy conversion (solar cells) and for information storage (magnetic heterostructures).

We study a novel family of quinoid compounds, dithiopyrannylidenes (DITPY), possessing strong electronic and structural similarities with well-known p-type semiconducting tetrathiafulvalene and rubrene molecules respectively. In solar cells using DITPY as a donor material, the photoinduce charge transfer to the acceptor PCBM is not efficient. On the contrary, the insertion of nanostructured DITPY thin films between the metallic anode and the photosensitive material (P3HT:PCBM) enhances the positive charge carriers transfer in the external circuit. Local Probe measurements made by current-sensing atomic force microscopy measurements (CS-AFM) help us to propose a mechanistic interpretation of the anodic interfacial layers working regime. This charge transfer process optimization comes from a drastic reduction of the electrical losses due to bimolecular recombination rates between electrons and holes. Otherwise, this understanding of the metal/DITPY contact behaviour has been extended to the field of spin-polarized electronics. The integration of a DITPY ultra-thin film between two magnetic electrodes made of Fe3O4 and cobalt provides an efficient tunneling charge transfer and also prevents any magnetic couplings between the inorganic materials. This result supports the use of DITPY tunnel barriers into magnetic heterojunctions.

Contact : sberny

 

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