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Écrit par
Olivier Thiebaut
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Thesee
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THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX I
École doctorale des Sciences physiques et de l’ingénieur
par
OLIVIER THIEBAUT
pour obtenir le grade de
DOCTEUR
Spécialité : Lasers, Matière et Nanosciences
________________________________________
BICOUCHES ORIENTÉES DE CRISTAUX LIQUIDES COLONNAIRES
POUR APPLICATIONS PHOTOVOLTAÏQUES
Soutenue le 3 février 2011
Devant la commission d’examen formée de :
Eric GRELET Chargé de recherche au CNRS Co-directeur
Pascale JOLINAT Maître de conférences à l’Université Toulouse III Examinateur
Emmanuelle LACAZE Directeur de recherche au CNRS Rapporteur
Denis MORINEAU Directeur de recherche au CNRS Rapporteur
Philippe RICHETTI Directeur de recherche au CNRS Co-directeur
Alois WÜRGER Professeur à l’Université Bordeaux I Examinateur
Remerciements
Je souhaite remercier au travers de ces quelques lignes les nombreuses personnes qui
ont contribué à la réussite de cette thèse.
En premier lieu, j'adresse mes remerciements à Philippe Richetti pour m'avoir accueilli
au sein du Centre de Recherche Paul Pascal. Je remercie également mon directeur de thèse
Eric Grelet pour m'avoir encadré au cours de ce travail et inculqué sa rigueur scientifique.
Je suis très reconnaissant envers Harald Bock pour toutes les discussions
enrichissantes que nous avons pu partager, celles-ci ayant grandement participé à
l'avancement de mon travail. Son attention et ses précieux conseils m’ont véritablement été
d’une grande aide. Mes remerciements aussi à Hassan Saadaoui pour les mesures AFM,
effectuées en toutes circonstances avec la bonne humeur qui le caractérise. Merci à Carlos
Drummond pour son aide sur les évaporations sous vide ainsi que pour sa patience,
notamment lors de la mésaventure de la cloche… Les discussions échangées avec Gilles
Sigaud sur la thermodynamique de nos composés m’ont également été d’une précieuse aide.
Une grande pensée pour Tomas Brunet avec qui j’ai pris grand plaisir à travailler et
qui a apporté une belle dynamique à mon travail. Je garderai d'excellents souvenirs de nos
conversations passées dans le laboratoire autour du four Mettler, ainsi que de notre séjour
passé à Cracovie à l’occasion de l’ILCC 2010.
Je tiens à remercier chaleureusement Julien Kelber et Emilie Pouget avec qui il a été
un grand plaisir de partager mon bureau pendant la quasi-totalité de cette thèse. Je leur
souhaite une bonne continuation, dans la science comme dans la vie en général, tout comme à
ces nombreuses personnes que j’ai pris grand plaisir à côtoyer au long de ces trois années,
avec entre autres Sylvain Lannebère, Damien Bazin, Simon Jestin, Tatiana Bladé ou encore
Fabienne Grillard.
Je garderai également d’excellents souvenirs des repas partagés avec le groupe de
13h15, composé notamment de Victoria Flexer, Emmanuel Suraniti et Antonin Prévoteau.
Nos conversations aussi riches que variées m’ont souvent permis de retourner travailler
l’après-midi avec le sourire.
Merci à Ahmed Bentaleb pour sa disponibilité et son efficacité à réparer aussi bien des
fours à cristaux liquides que des Peugeot 309, mais aussi pour m’avoir fait retrouver le
chemin des filets lors de matchs de foot effectués avec le CRPP United.
De manière générale, je tiens à remercier l’ensemble des membres du CRPP, à savoir
par exemple le personnel du service informatique ou encore de l’atelier mécanique.
Cette période de ma vie est également associée à mes amis Olivier Belli, Frédéric
Cabanne, Frédéric Madsen et à mon frère, avec lesquels j’ai certainement vécu mes plus
beaux moments bordelais au travers de moments uniques passés du coté de l’océan.
Enfin, ma dernière pensée va pour ma maman, elle aussi unique, qui fait tant de choses
pour moi depuis maintenant plus de 28 ans.
Table des matières
Table des matières
Introduction générale................................................................................................................ 3
I. Cristaux liquides et cellules photovoltaïques................................................................... 9
1. Les cristaux liquides................................................................................................. 11
2. Les cristaux liquides colonnaires formés de molécules discotiques ........................ 17
3. Les cellules photovoltaïques .................... 28
4. Présentation des composés étudiés........................................................................... 45
II. Orientation homéotrope de films minces uniques de cristaux liquides colonnaires ........ 63
1. Orientation de films minces ouverts de cristaux liquides colonnaires : état de l’art 66
2. Transition d’ancrage de films minces de cristaux liquides colonnaires confinés entre
deux électrodes..................................................................................................................... 79
Annexe : Mesure des épaisseurs par AFM........................................................................... 99
III. Orientation planaire uniaxe de films minces de cristaux liquides colonnaires .............. 105
1. Alignement planaire uniaxe sur Téflon.................................................................. 108
2. Détermination des propriétés optiques................................................................... 117
3. Mélanges de cristaux liquides colonnaires pour la réalisation d’un polariseur...... 132
Annexe : Comparaison de l’absorption optique du composé PePEG en solution et en film
mince avant et après recuit ................................................................................................ 144
IV. Bicouches orientées de cristaux liquides colonnaires .................................................... 151
1. La bicouche modèle PePEG-Py4CEH................................................................... 155
2. Les bicouches d’intérêt PePEG-Bp2I372CEH et PePEG-Bp2I692CEH .............. 182
Annexe : Influence de l’organisation de la première couche et du recuit en phase liquide
isotrope de la seconde couche dans une bicouche de cristaux liquides colonnaires .......... 204
Conclusion générale ............................................................................................................. 211
1 Table des matières
2 Introductionénérale
Introduction générale
Cette thèse de doctorat effectuée au Centre de Recherche Paul Pascal porte sur l’étude
de films minces de cristaux liquides colonnaires constitués de molécules discotiques. Une
attention particulière est portée sur les applications photovoltaïques, avec notamment la
réalisation de bicouches orientées pouvant jouer le rôle d’hétérojonctions donneur – accepteur
dans une cellule solaire.
D’importants efforts de recherche sont actuellement consacrés au développement des
énergies renouvelables comme l’énergie solaire photovoltaïque, qui provient de la conversion
de la lumière du soleil en électricité. A l’heure du réchauffement climatique et de l’explosion
des besoins énergétiques, les chercheurs travaillent en effet à de nouvelles solutions pour les
années à venir. La production d'énergie au niveau mondial est actuellement basée sur
l’utilisation des combustibles fossiles (80 %), du nucléaire (7 %) et des énergies
renouvelables (13 %) [1]. Or selon certains experts, l’approvisionnement en pétrole ou encore
en gaz ne pourra plus satisfaire la demande énergétique d’ici quelques dizaines d’années [2].
De plus, la consommation de ces combustibles fossiles entraîne l’augmentation des gaz à effet
de serre, responsables du réchauffement climatique. Un tel contexte, mêlant épuisement des
ressources non-renouvelables et changement climatique, amène politiques et scientifiques à
penser à des solutions alternatives. Celles-ci pourraient se baser en partie sur l’exploitation
des énergies renouvelables dont dispose notre planète. Parmi ces dernières, l’énergie solaire
occupe une place importante. En plus d’être inépuisable, celle-ci est extraordinairement
abondante puisque le rayonnement solaire sur la Terre en un an représente plus de dix mille
fois la consommation mondiale actuelle d’énergie primaire, toutes formes et tous usages
confon