Nouveaux cœurs conjugués à base de Pyranopyrane pour l'électronique organique

Contexte and projet : Le développement de nouveaux matériaux organiques π-conjugués a suscité un intérêt considérable et conduit à des avancées majeures dans le domaine de l'électronique organique au cours des trois dernières décennies. Grâce à des innovations clés, telles que l'émergence des accepteurs non fulleréniques (Non-Fullerene Acceptors, NFA) comme Y6 pour les cellules photovoltaïques organiques (OPV)[1] ou de la fluorescence retardée activée thermiquement (Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF)[2] pour les diodes électroluminescentes organiques (OLED), les performances des dispositifs organiques ont été considérablement améliorées. Toutefois, l'électronique organique reste encore en retrait par rapport à son homologue inorganique en termes de performances. Par ailleurs, malgré les excellentes efficacités obtenues avec Y6 et ses dérivés, leur utilisation à grande échelle est limitée par des voies de synthèse complexes et des coûts de production élevés, leur prix commercial atteignant environ 2000 €/g (Ossila). Il demeure donc essentiel de concevoir de nouvelles molécules conjuguées permettant de réduire l'écart de performances entre les technologies organiques et inorganiques tout en limitant les coûts de production, afin d'accélérer la transition vers des solutions énergétiques durables.
L'association de groupes donneurs d'électrons (D) et accepteurs d'électrons (A) afin d'obtenir des matériaux à transfert de charge constitue l'une des approches les plus prometteuses pour le développement de nouveaux matériaux destinés aux OPV et aux OLED TADF. En particulier, les architectures de type A-D-A, combinant un cœur fortement donneur et deux groupes accepteurs, ont démontré un fort potentiel aussi bien pour les cellules photovoltaïques organiques[3] que pour les OLED.[4] Afin d'aller au-delà des structures actuellement disponibles, nous avons réalisé une étude préliminaire de modélisation moléculaire par théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et DFT dépendante du temps (TD-DFT) visant à concevoir de nouveaux cœurs conjugués reposant sur le motif pyranopyrane. Si les chromophores à base de pyrane ont déjà démontré des performances prometteuses dans les cellules photovoltaïques organiques et les photodétecteurs organiques,[5,6] les pyranopyranes n'ont encore jamais été explorés dans le domaine de l'électronique organique. Les isomères bithiophène-fusionnés de pyranopyrane présentent notamment des niveaux d'énergie HOMO calculés exceptionnellement élevés. Cette propriété résulte de la combinaison d'une faible énergie de stabilisation aromatique et du caractère donneur des atomes d'oxygène incorporés dans la structure.
S'appuyant sur ces résultats théoriques, cette thèse a pour objectif la synthèse et l'étude de nouveaux blocs moléculaires à base de pyranopyrane ainsi que des chromophores quadripolaires obtenus par l'introduction de deux groupes accepteurs d'électrons A, en vue d'applications dans les cellules photovoltaïques organiques de nouvelle génération et les OLED. Après leur synthèse, les nouveaux chromophores feront l'objet d'une caractérisation optique et électrochimique approfondie. Les composés les plus prometteurs seront intégrés comme matériaux actifs dans des cellules photovoltaïques organiques et des OLED. Ces travaux contribueront à l'identification de nouveaux chromophores capables d'améliorer l'absorption de la lumière, la séparation des charges et la stabilité des dispositifs, conduisant ainsi à des cellules solaires plus performantes et plus durables, ainsi qu'à des dispositifs électroluminescents plus efficaces pour l'éclairage et les technologies d'affichage.

References: [1]  Y. Cui, H. Yao, J. Zhang, T. Zhang, Y. Wang, L. Hong, K. Xian, B. Xu, S. Zhang, J. Peng, Z. Wei, F. Gao, J. Hou, “Over 16% efficiency organic photovoltaic cells enabled by a chlorinated acceptor with increased open circuit voltages” Nat. Commun. 2019, 10, 2515. [2] H. Uoyama, K. Goushi, K. Shizu, H. Nomura, C. Adachi, “Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence” Nature 2012, 492, 234–238. [3] C. Yan, S. Barlow, Z. Wang, H. Yan, A. K.-Y. Jen, S. R. Marder, X. Zhan, “Non-fullerene acceptors for organic solar cells” Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 1–19. [4] H. Wang, J.-X. Chen, Y.-Z. Shi, X. Zhang, L. Zhou, X.-Y. Hao, J. Yu, K. Wang, X.-H. Zhang, “An A-D-A-Type Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitter with Intrinsic Yellow Emission Realizing Record-High Red/NIR OLEDs upon Modulating Intermolecular Aggregations” Adv. Mater. 2024, 36, 2307725. [5] Z. Xiao, S. Yang, Z. Yang, J. Yang, H.-L. Yip, F. Zhang, F. He, T. Wang, J. Wang, Y. Yuan, H. Yang, M. Wang, L. Ding, “Carbon–Oxygen-Bridged Ladder-Type Building Blocks for Highly Efficient Nonfullerene Acceptors” Adv. Mater. 2019, 31, 1804790. [6] J. You, C.-C. Chen, Z. Hong, K. Yoshimura, K. Ohya, R. Xu, S. Ye, J. Gao, G. Li, Y. Yang, “10.2% Power Conversion Efficiency Polymer Tandem Solar Cells Consisting of Two Identical Sub-Cells” Adv. Mater. 2013, 25, 3973–3978. [7] C. Cabanetos, P. Blanchard, J. Roncali, “Arylamine Based Photoactive Push-Pull Molecular Systems: A Brief Overview of the Chemistry ‘Made in Angers’” Chem. Rec. 2019, 19, 1123–1130. [8] A. Labrunie, J. Gorenflot, M. Babics, O. Alévêque, S. Dabos-Seignon, A. H. Balawi, Z. Kan, M. Wohlfahrt, E. Levillain, P. Hudhomme, P. M. Beaujuge, F. Laquai, C. Cabanetos, P. Blanchard, “Triphenylamine-Based Push–Pull σ–C60 Dyad As Photoactive Molecular Material for Single-Component Organic Solar Cells: Synthesis, Characterizations, and Photophysical Properties” Chem. Mater. 2018, 30, 3474–3485.

MOLTECH-Anjou (https://moltech-anjou.univ-angers.fr/), UMR CNRS 6200 de l'Université d'Angers, est un laboratoire réunissant environ 90 chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs et doctorants en chimie et en physique. Son activité scientifique est consacrée au développement de matériaux moléculaires organiques et hybrides organique-inorganique pour des domaines à fort impact tels que l'électronique organique, les matériaux stimulables, les matériaux auto-assemblés, les matériaux pour l'énergie, les surfaces nanostructurées fonctionnalisées et la photonique. Depuis plus de vingt ans, MOLTECH-Anjou contribue activement au développement des cellules photovoltaïques organiques et a permis des avancées scientifiques majeures dans ce domaine. Depuis 2018, le laboratoire dispose d'une plateforme technologique de pointe, unique dans le Grand Ouest, dédiée à la fabrication et à la caractérisation de dispositifs électroniques organiques. Le/la doctorant(e) intégrera l'équipe Kemtronix et sera encadré(e) par le Dr Maxime Rémond et le Dr Philippe Blanchard.

Le ou la candidat(e) devra être titulaire d'un diplôme de Master ou d'un diplôme d'ingénieur en chimie, physico-chimie, science des matériaux ou dans un domaine connexe, avec une expérience en synthèse organique. Un fort intérêt pour la synthèse de molécules π-conjuguées destinées à l'électronique organique est attendu. Le ou la candidat(e) devra faire preuve de rigueur scientifique, d'autonomie, de bonnes capacités expérimentales ainsi que de qualités relationnelles et de communication. Au cours de la thèse, il ou elle développera des compétences en synthèse organique (mise en œuvre de protocoles expérimentaux, purification par cristallisation et chromatographie sur colonne, caractérisation structurale par RMN, spectrométrie de masse et diffraction des rayons X) ainsi qu'en caractérisation des molécules π-conjuguées (spectroscopies d'absorption et de fluorescence, électrochimie). Selon l'avancement du projet, il ou elle pourra également participer à la fabrication et à la caractérisation de dispositifs d'électronique organique. Une expérience préalable dans le domaine des matériaux luminescents ou de la fabrication de dispositifs électroniques organiques constitue un atout, mais n'est pas indispensable.