Author: Germain Rey
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Les nanostructures d'oxydes métalliques jouent un rôle essentiel dans les cellules photovoltaïques à colorants, puisque ces matériaux permettent la réalisation du contact électrique transparent en face avant et de la photoanode. L'oxyde stannique (SnO2) et l'oxyde de zinc (ZnO) ont été employés respectivement, car leurs propriétés optiques, électroniques et structurales sont particulièrement bien adaptées aux cellules solaires à colorant. Le contact électrique transparent, obtenu par pyrolyse d'aérosol, se présente sous forme d'une couche mince de SnO2 dopé par du fluor composée de grains nanométriques. Les propriétés électriques et optiques de ce composant ont été optimisées en vue de son intégration dans des cellules à colorants. Une étude approfondie du transport électronique au sein de la couche a permis de quantifier l'influence des différents mécanismes de diffusion suivant les cas considérés. La photoanode a été réalisée, directement à la surface de la couche mince de SnO2, par dépôt chimique de nanofils de ZnO à partir de précurseurs en phase vapeur. Le diamètre et la densité surfacique des nanofils sont contrôlés respectivement par les conditions de croissance et le degré d'oxydation du substrat. Les photoanodes à base de nanofils ont été intégrées dans des cellules à colorant. La limitation des performances de ces cellules est due à la faible surface développée par le ZnO qui conduit à la fixation d'une trop faible quantité de colorant à la surface de ce dernier. Afin de remédier à ce problème, des nanoparticules de ZnO ont été élaborées par bain chimique à la surface des nanofils. Les cellules solaires à base de structures composites présentent des performances supérieures à celles réalisées à partir de nanofils ou de nanoparticules. Les photoanodes composites permettent d'obtenir à la fois un transport efficace des électrons et de développer une surface importante et de ce fait, elles présentent des performances prometteuses.
Author: Benoît Chavillon
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Languages : fr
Pages : 358
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La thèse avait pour objectif la préparation de semi-conducteurs de type p sous forme de nanoparticules pour la réalisation de cellules à colorant fonctionnant sur le principe inverse aux cellules dites de Grätzel, à savoir par photoinjection de trou d'un colorant à une cathode. Dans ce cadre, nos études ont porté en premier lieu sur la réalisation de films homogènes et d'épaisseur ajustable de NiO par voie hydrothermale. Ces films ont été caractérisés. Ils mettent en exergue de façon systématique la présence d'une portion infime de nickel métallique qui pourrait être à l'origine de l'excellent comportement de ce matériau en photocathode. Cependant, l'accension à de plus haut rendements photovoltaïques nécessite l'obtention d'autres semiconducteurs de type p. A cette fin, la synthèse de nanoparticules de CuGaO2 par voie hydrothermale avec de l'éthylène glycol comme agent réducteur a été entreprise. La réalisation de cellules à colorant à partir de ce matériau conduit à des caractéristiques photovoltaïques prometteuses qui restent à optimiser. Parallèlement, l'oxysulfure de lanthane et de cuivre, LaOCuS, reporté dans la littérature avec une forte mobilité de ses porteurs de charges positifs a pu être stabilisé sous la forme de nanoparticules par voie solvothermale dans l'éthylène diamine. Malheureusement, ce matériau n'a pu être testé pour l'application visée faute d'un médiateur redox adapté. Enfin, la stabilisation de ZnO:N de type p a pu être réalisée par nitruration réactive du dioxyde de zinc ZnO2. Le matériau final se caractérise par une structure de type wurtzite qui s'accommode de la présence de groupements peroxydes et d'anions nitrures ainsi que d'une non stoechiométrie en zinc.
Author: Ludmila Cojocaru
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Dans le contexte de la mise au point de dispositifs photovoltaïques efficaces, bon marché et respectueux de l'environnement, la synthèse d'oxydes métalliques semi-conducteurs tels que SnO2, Zn2SnO4 et WO3 de morphologies et textures diverses a été développée afin d'élaborer des photoanodes poreuses pour cellules solaires à colorant. D'après les études réalisées par différentes méthodes (MEB, MET, DRX et BET), les matériaux obtenus présentent des caractéristiques texturales, morphologiques et structurales appropriées pour l'application visée. Des cellules solaires à colorant ont donc été réalisées à partir de ces oxydes, puis différents paramètres influençant leurs performances ont été optimisés afin d'améliorer l'efficacité de la conversion photovoltaïque. Notamment l'influence positive de différents traitements des photoanodes (i.e. solution aqueuse de TiCl4 ou traitement à l'eau) sur les rendements de conversion énergétique et la stabilité des dispositifs a été démontrée. Ainsi, des performances comparables ou supérieures à l'état de l'art ont été atteintes pour les systèmes à base de SnO2. Ces performances ont ensuite été interprétées en déterminant les processus électroniques et ioniques ayant lieu dans ces cellules par différentes méthodes physiques (mesures de tension de seuil et de décroissance de circuit-ouvert, spectroscopie d'impédance). Enfin, des électrodes réalisées à partir de WO3 déposé sur substrats flexibles ont démontré des propriétés électrochromes très prometteuses ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l'affichage.
Author: Jérôme Garnier
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Pages : 196
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Les oxydes métalliques sont des matériaux pouvant présenter la double propriété d’avoir une haute conductivité électrique et une bonne transparence dans le domaine du visible. Ils sont appelés « oxydes transparents et conducteurs », TCO. Le plus utilisé de ces matériaux est l’oxyde d’indium dopé étain (ITO). L’indium est un élément rare et cher qui avec la demande croissante de l’industrie des écrans plats en ITO, a vu son prix s’envoler. De nombreuses recherches sont basées sur le besoin de trouver un challenger. Des candidats tels que l’oxyde de zinc ou l’oxyde d’étain s'avèrent prometteurs. Pour déposer ces matériaux en couches minces, différentes techniques peuvent être utilisées. Nous avons choisi une technique appelée Spray-CVD car elle présente l’avantage d’avoir des dépôts de qualités avec la réaction de CVD et la facilité de manipulation des précurseurs avec le spray. Pour résumer, c’est une technique simple et économique. La particularité de cette étude est l’utilisation de lampes infrarouges comme chauffage de notre système. L’association de la technique de Spray-CVD et des lampes infrarouges est unique à notre connaissance. Nous avons appelé l’ensemble : IRASCVD (InfraRed Assisted Spray Chemical Vapor Deposition). Afin de déposer des couches compétitives de TCO avec notre technique, deux stratégies ont été déployées. La première consiste à la réalisation d’un réacteur expérimental de Spray-CVD au sein de notre laboratoire. Des films minces d’oxyde d’étain non dopé et dopé au fluor ont été étudiés ainsi que l’optimisation des paramètres de dépôts. Ces couches ont enfin été utilisées en tant qu’électrodes transparentes pour cellules solaires organiques. L’ensemble de cette étude a permis de valider les dépôts de TCO par IRASCVD. La deuxième partie de l’étude consiste à l’utilisation d’un réacteur R&D basé sur le même principe de Spray-CVD. Ce réacteur a permis le dépôt de films minces d’oxyde de zinc non dopé et dopé aluminium. Une attention particulière a été portée à l’influence des infrarouges sur les propriétés des TCO. Ces dépôts ont été comparés avec ceux réalisés avec un chauffage classique. Cette étude souligne l’impact des infrarouges sur les films minces de TCO.
Author: Matthieu Souque
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Pages : 355
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Au cours de ce travail de thèse, l'utilisation de matériaux nanostructurés a permis d'obtenir des solutions performantes pour trois applications distinctes proposées par Thales Alenia Space et le CNES. La première application visée était le développement de matériaux légers et faciles à mettre en œuvre pour contrôler l'environnement électromagnétique des boîtiers hermétiques qui contiennent l'électronique embarquée dans les satellites. L'obtention de nanoparticules du complexe à transfert de charge TTF-TCNQ qui peuvent être facilement solubilisées a permis de résoudre le problème de mise en forme des conducteurs moléculaires. Les solutions de nanoparticules permettent de déposer des films dont les permittivités réelles et imaginaires sont supérieures à 100 de 1 à 18 GHz. De tels films sont très intéressants pour le blindage électromagnétique. De plus, ces solutions peuvent être incorporées à des matrices pour obtenir des matériaux à fortes permittivités réelles et tangentes de pertes réduites qui sont intéressants pour l'absorption électromagnétique au-delà du GHz. L'objet de la seconde étude était la préparation de revêtements froids antistatiques pour les réflecteurs solaires flexibles. La synthèse directe de nanoparticules de ZnO de 3 nm dans une matrice silicone produite par la société MAP et le CNES a permis d'obtenir des propriétés optiques supérieures à celles obtenues par dispersion aux ultra-sons de poudres nanoparticulaires. En revanche, le test de certification du caractère antistatique des revêtements n'a pas pu être fait dans le cadre de cette thèse. La troisième étude consistait à évaluer en dosimétrie des dispositifs à couche sensible de nanoparticules de SnOx. Leurs sensibilités aux irradiations gammas mesurées à l'ONERA sont comparables à celles des RADFET utilisées actuellement. Des créations de paires électrons-trous et la désorption d'oxygène (conjointement à la réduction de l'oxyde d'étain) sont responsables de la diminution de résistance des capteurs.
Author: Sylvain Vedraine
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Les cellules solaires en couches minces permettent de produire de l'énergie à bas-coût et sans émission de gaz à effet de serre. Dans le but de réaliser des dispositifs toujours plus performants, nous étudions l'impact de l'intégration de nanostructures métalliques (NSs) au sein de cellules solaires organiques (CSO). Ces NSs peuvent alors générer des effets diffusifs et des résonances issues de plasmons de surface. A l'aide d'un modèle numérique FDTD, nous démontrons que l'ingénierie plasmonique peut servir à augmenter l'absorption dans le matériau photoactif tout en limitant l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les NSs. L'influence de paramètres opto-géométriques de structures associant matériaux organiques et effets plasmoniques est étudiée (diamètre, position des particules dans la couche et période du réseau de particules sphériques). Expérimentalement, des NSs d'argent ont été réalisées par évaporation sous vide puis intégrées dans des couches organiques. Nous avons mesuré une exaltation de l'absorption optique dans la gamme spectrale utile à la photo-conversion. Trois architectures différentes de CSO plasmonique ont été fabriquées et caractérisées par MEB, TEM et ToF-SIMS, puis modélisées, permettant d'identifier des verrous technologiques et de proposer des pistes d'amélioration. Nous avons aussi intégré des NSs au sein d'un empilement transparent et conducteur de type oxyde/métal/oxyde, dans le but de remplacer l'électrode classique en oxyde d'indium et d'étain d'une CSO. Le rôle de chaque couche de l'empilement sur le comportement optique de l'électrode est discuté. Les épaisseurs des couches d'une électrode de type ZnO/Ag/ZnO ont été optimisées.
Author: Paolo Mele
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ISBN: 9781536160864
Category : Zinc oxide thin films
Languages : en
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Zinc oxide (ZnO) is an n-type semiconductor with versatile applications such as optical devices in ultraviolet region, piezoelectric transducers, transparent electrode for solar cells and gas sensors. This book "ZnO Thin Films: Properties, Performance and Applications" gives a deep insight in the intriguing science of zinc oxide thin films. It is devoted to cover the most recent advances and reviews the state of the art of ZnO thin films applications involving energy harvesting, microelectronics, magnetic devices, photocatalysis, photovoltaics, optics, thermoelectricity, piezoelectricity, electrochemistry, temperature sensing. It serves as a fundamental information source on the techniques and methodologies involved in zinc oxide thin films growth, characterization, post-deposition plasma treatments and device processing. This book will be invaluable to the experts to consolidate their knowledge and provide insight and inspiration to beginners wishing to learn about zinc oxide thin films.
