Intégration de nanostructures plasmoniques au sein de dispositifs photovoltaïques organiques PDF Download
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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: Philippe Torchio
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Languages : fr
Pages : 22
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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: Kokou Kekeli David N'Konou
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L'une des approches pour améliorer les performances des cellules solaires organiques, sans augmenter l'épaisseur de la couche photoactive, consiste à incorporer des nanoparticules (NPs) métalliques dans cette couche ou à proximité pour bénéficier de la diffusion de la lumière incidente ou de résonances de plasmons de surface localisés. Cependant, ces NPs métalliques peuvent engendrer des recombinaisons des porteurs de charges électriques, créer des court-circuits ou favoriser l'extinction des excitons au contact du métal. Une solution est alors de protéger ces NPs métalliques par un revêtement diélectrique (coquille ou couche fine). L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de nanostructures de type cœur-coquille (métal-diélectrique) sur les performances optiques et photoélectriques de cellules solaires organiques, à l'aide de modélisations numériques et de réalisations expérimentales. Dans un premier temps, une étude numérique prédictive, basée sur une modélisation par méthode FDTD, nous a permis d'analyser l'influence de paramètres architecturaux et opto-géométriques sur les propriétés optiques de cellules solaires plasmoniques. Par la suite, nous avons synthétisé et caractérisé des nanosphères (NSs) avec un cœur métallique en argent ou en or recouverts d'une fine coquille de silice. L'incorporation de NSs Ag@SiO2 synthétisées (voie humide) ou de NPs Ag/SiO2 déposées par évaporation (voie sèche) dans des cellules solaires à architecture inverse ont permis d'augmenter le photocourant de 12% ou de 18% respectivement par rapport à la cellule de référence (sans NSs).
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Publisher: Ed. Techniques Ingénieur
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Author: Mathieu Lamarche
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La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l'efficacité de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l'efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s'agit de l'hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L'objectif de ce projet de maîtrise est d'étudier l'impact de l'implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l'aide du procédé d'anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d'exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D'autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l'interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l'interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.
Author: Edilene Assunção da Silva
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Polymeric solar cells attract great interest in this area of research due to the potential low cost, large area fabrication process, light weight physical feature and the possibility of fabricating these cells by several techniques. To achieve good efficiency in the photovoltaic devices the active layer must have an efficient absorption of sunlight. In terms of bandgap, this means that the smaller the bandgap the greater the flux of photons absorbed. One way to accomplish this, with the polymeric materials, is the synthesis of a polymer in which the optical bandgap has the ability to increase the capture of sunlight, the so-called low-bandgap polymers. The organization plays an important role in the performance of devices, including in photovoltaic devices, and the Langmuir-Schaefer (LS) technique provides the ability to manufacture nanostructured films with thickness control, which can serve as a basis for building better devices. In this context, the aim of this work was to synthesize low-bandgap polymers for later manufacturing and characterization of LS films of these polymers and their blends with a fullerene derivative, PCBM, and test them as active layer of solar cells. LS films of such polymers and their blends with PCBM were made and characterization measurements were performed. These films were characterized by electrical (current vs. voltage, impedance spectroscopy and cyclic voltammetry), morphology (atomic force microscopy) and optical (ultraviolet-visible, Raman scattering and infrared) measurements. Through the Langmuir films and the morphological measurements, it was possible to observe the specific characteristics of how it is the conformation of each polymer in film form. Optical measurements confirmed the absorption at high wavelengths expected for these polymers. In the electrical measurements the results showed different conductivities for the same materials when the types of electrodes were changed. The photovoltaic devices manufactured from LS technique have not reached good efficiency values. When spin-coated active layers were teste as OPV devices in a controlled atmosphere the efficiency achieved up to 0.6%.
Author: Heiser
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Author: NOËL Didier
Publisher: Lavoisier
ISBN: 2743065044
Category : Electric power
Languages : fr
Pages : 474
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Les nanotechnologies apportent un fort potentiel d’innovation et de rupture dans de nombreux domaines. Leurs applications pour l’énergie en est un champ important, car la synthèse et la structuration des nanomatériaux y ouvrent des voies de progrès notables. Si divers ouvrages décrivent les innovations promises par les nanotechnologies sur des thématiques scientifiques générales ou spécialisées, très peu abordent le chemin qui va des nouvelles propriétés aux applications pour l’énergie électrique et ses usages. Cet ouvrage présente, sur des bases scientifiques solides, les apports des nanotechnologies et plus particulièrement des nanomatériaux aux enjeux de la production d’électricité et de ses usages. Après un panorama des effets physiques qui peuvent être exploités à ces échelles pour améliorer les propriétés des matériaux ou leur fonctionnalité, leur application à la production d’électricité, à son stockage, à ses usages ainsi qu’au traitement de questions environnementales est abordée. Elle conduit à explorer les domaines de l’électrochimie, du photovoltaïque, de la thermoélectricité, des propriétés mécaniques et thermiques des matériaux ou encore des membranes et des surfaces ultrahydrophobes. Chaque chapitre constitue une monographie exhaustive enrichie d’une abondante iconographie et d’une bibliographie très complète. Les meilleurs experts de chaque domaine ont été réunis, faisant de cet ouvrage une référence incontournable. Au confluent de plusieurs disciplines et en prise directe sur un vaste champ d’applications, ce livre s’adresse à un large public : ingénieurs et chercheurs, étudiants des écoles d’ingénieurs ou des universités aux niveaux licence et master.
Author: Etienne Moulin
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Languages : en
Pages : 184
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In order to achieve high efficiencies, thin-film silicon solar cells need an efficient light absorption. In this thesis, we discuss new approaches based on metal nanoparticules and metal nanostructures for light trapping in thin-film silicon solar cells, The specific optical properties of metallic nanoparticles are a consequence of the appearence of a resonance in their absorption and scattering spectra, know as the localized surface plasmon( LSP) resonance. For sufficiently small particles (
Author: Romain Mailhes
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Le domaine du photovoltaïque en couches minces s'attache à réduire le coût de l'énergie photovoltaïque, en réduisant considérablement la quantité de matières premières utilisées. Dans le cas du silicium cristallin en couches minces, la réduction de l'épaisseur de la cellule s'accompagne d'une baisse drastique de l'absorption, notamment pour les plus fortes longueurs d'onde. Nombreuses sont les techniques aujourd'hui mises en œuvre pour lutter contre cette baisse de performance, dont l'utilisation des effets plasmoniques induits par des nanostructures métalliques qui permettent un piégeage de la lumière accru dans la couche absorbante. Dans ces travaux, nous étudions l'influence de nanostructures d'argent organisées suivant un réseau périodique sur l'absorption d'une couche de silicium. Ces travaux s'articulent autour de deux axes majeurs. L'influence de ces effets plasmoniques sur l'absorption est d'abord mise en évidence à travers différentes simulations numériques réalisées par la méthode FDTD. Nous étudions ainsi les cas de réseaux périodiques finis et infinis de nanostructures d'argent situés sur la face arrière d'une couche mince de silicium. En variant les paramètres du réseau, nous montrons que l'absorption au sein du silicium peut être améliorée dans le proche infrarouge, sur une large plage de longueurs d'onde. Le second volet de la thèse concerne la réalisation des structures modélisées. Pour cela, deux voies de fabrication ont été explorées et développées. Pour chacune d'entre elles, trois briques élémentaires ont été identifiées : (i) définition du futur motif du réseau grâce à un masque, (ii) réalisation de pores dans le silicium et (iii) remplissage des pores par de l'argent pour former le réseau métallique. La première voie de fabrication développée fait appel à un masque d'alumine, réalisé par l'anodisation électrochimique d'une couche d'aluminium, pour définir les dimensions du réseau métallique. Une gravure chimique assistée par un métal est ensuite utilisée pour former les pores, qui seront alors comblés grâce à des dépôts d'argent par voie humide. La seconde voie de fabrication utilise un masque réalisé par lithographie holographique, une gravure des pores par RIE et un remplissage des pores par dépôt d'argent electroless. Les substrats plasmoniques fabriqués sont caractérisés optiquement, au moyen d'une sphère intégrante, par des mesures de transmission, réflexion et absorption. Pour tous les substrats plasmoniques caractérisés, les mesures optiques montrent une baisse de la réflexion et de la transmission et une hausse de l'absorption pour les plus grandes longueurs d'onde.
