Synthèse et caractérisation d'oxydes transparents conducteurs de type p pour application en cellules solaires à colorant PDF Download
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Author: Benoît Chavillon
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Languages : fr
Pages : 358
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Book Description
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: 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: Adèle Renaud
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Languages : en
Pages : 200
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Les travaux de thèse portaient sur la réalisation de cellules à colorant de type p (DSSCp) avec une photocathode autre que NiO. L’objectif était de remplacer ce semi-conducteur de type p par des matériaux plus transparents, plus conducteurs et présentant une bande de valence plus basse en énergie pour permettre de générer des tensions en circuit ouvert (VOC) plus élevées. Dans ce cadre, les composés CuGaO2, LaOCuS et ZnO:N ont été synthétisés sous la forme de nanoparticules, caractérisés par diffraction des rayons X et leurs potentiels de bandes plates (Vbp) déterminés par spectroscopie d’impédance complexe. Il en résulte que CuGaO2, LaOCuS et ZnO:N présentent respectivement des Vbp nettement supérieur (0,49 V/ECS), similaire (0,26 V/ECS) et inférieure (0,20 V/ECS) à celui de NiO (0,33 V/ECS). Naturellement, des cellules à colorant à base du matériau de la famille des delafossites ont été réalisées et testées avec la dyade PMI-NDI comme colorant et un complexe de cobalt comme médiateur rédox. Une VOC supérieure à celle observée pour NiO dans les mêmes conditions a été mis en évidence. Ce résultat est malheureusement terni par un courant en court-circuit (Jsc) moindre. Pour tenter de remédier à cet inconvénient, des matériaux CuGaO2:Mg avec des surfaces spécifiques supérieures à celle de CuGaO2 ont été réalisés et testés. Parallèlement, nous nous sommes attachés à la réalisation de cellules à base de LaOCuS, autrement plus conducteur que NiO, tandis que la conductivité de type p de ZnO:N a été caractérisée plus en profondeur.
Author: Germain Rey
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Languages : fr
Pages : 0
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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: Antoine Maufroy
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Languages : fr
Pages : 141
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L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux sensibilisateurs moléculaires pour améliorer les performances des cellules photovoltaïques à colorant de type p (p-DSSCs pour p type dye sensitized solar cells) qui sont fondées sur l’injection de lacunes électroniques dans la bande de valence d’un oxyde semi-conducteur de type p (NiO dans le cadre de cette thèse). Le premier chapitre décrit l’état de l’art des dispositifs photovoltaïques hybrides en comparaison de celui des cellules solaires inorganiques en abordant également l.avenir commercial des DSSCs. Le deuxième chapitre porte sur le développement de colorants pour NiO à base de porphyrines de zinc. Les synthèses et caractérisations physico-chimiques approfondies de neuf nouvelles porphyrines « pushpull » ainsi que leurs performances photovoltaïques au sein de dispositifs sont présentés. Enfin, les résultats photovoltaïques sont rationalisés sur la base de calculs quantiques et de mesures photo-physiques par absorption transitoire. Le dernier chapitre aborde la conception de nouveaux colorants à base de phosphole. Ces molécules sont très intéressantes pour cette application en raison de leurs propriétés physico-chimiques originales et elles n’ont jamais été utilisées au sein de p-DSSCs. La synthèse de cinq nouveaux colorants push-pull, où le motif phosphole joue le rôle d’accepteur intermédiaire d’électron, est décrite. La réactivité particulière de l’unité phosphore qui s’isomérise en phospholène est présentée. Les propriétés physico-chimiques de ces colorants sont ensuite étudiées et ces produits sont enfin utilisés au sein de dispositifs p-DSSCs dont les performances photovoltaïques sont analysées.
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: Rana Nakar
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Languages : fr
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L'énergie solaire est une importante source d'énergie renouvelable. Depuis 10 ans, les cellules solaires pérovskite ont montré leur énorme potentiel avec des rendements supérieurs à 22%. Ce travail de thèse a consisté à élaborer de nouveaux verres moléculaires transporteurs de trous à base de carbazole pour remplacer le spiro-OMeTAD (matériau de référence) dans ces cellules pérovskite. Tout d'abord, la synthèse de semi-conducteurs de type p a été optimisée en réalisant, à partir d'un intermédiaire à base de carbazole, appelé « synthon », en une seule étape, 4 nouvelles familles de molécules constituées d'un, deux ou trois synthons. Des coeurs à base de dérivés de spirobifluorène, de thiophènes, de triazatruxène ou d'espaceur fluorés ont été utilisés. Les propriétés physico-chimiques de ces familles de composés ont ensuite été étudiées afin de vérifier leurs possible utilisation en dispositifs solaires et de trouver une relation structure/propriétés. Par exemple, il a été montré que les Tg des composés dépendent fortement de la rigidité du coeur. Les analyses thermiques, électroniques et énergétiques montrent que tous les composés synthétisés ont des propriétés en accord avec leur utilisation comme HTM dans les cellules pérovskite. Finalement, ces matériaux ont été intégrés dans des dispositifs solaires et montrent un potentiel intéressant autant en termes de rendement (entre 13% et 15%), comparable au matériau actuel, que de prix (coût au moins 2 fois moins élevé que la référence).
Author: Mervyn de Borniol
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Pages : 237
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Le but de ce travail a été la réalisation de cellules photoélectrochimiques de type "Grätzel" à base de dioxyde d'étain photosensibilisé par des dérivés organostanniques du pérylène-3,4-decarboximide, réalisant la conversion photovoltaïque. Ces chromophores ont été obtenus par une synthèse convergente en plusieurs étapes, l'étape clef consistant en un couplage de type Stille entre un dérivé du pérylène et un oméga-iodoalkyl- ou 4-bromophenyl-tricyclohexylétain. Les études physico-chimiques réalisees en solution sur ces nouveaux colorants ont montré qu'ils possédaint les propriétés photochimiques et électrochimiques requises pour photosensibiliser des oxdes semi-conducteurs. Par ailleurs, des films nanoporeux et nanocristallins de dioxyde d'étain d'épaisseur contrôlée ont été élaborés sur substrats conducteurs par différentes techniques à partir de suspension colloïdales de nanaoparticules de SnO2, une étude approfondie de la texture, de la structure et de la morphologie de ces couches ayant permis de sélectionner celles les plus appropriées pour la conversion photovoltaïque. Ces dernières ont ensuite été modifiées chimiquement en surface par les chromophores synthétisés puis l'aptitude des cellules ainsi réalisées à convertir la lumière en électricité a été évaluée. Le meilleur système a permis d'atteindre des rendements de conversion énergétique de l'ordre de 0,3 %.
Author: Maxime Godfroy
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Languages : fr
Pages : 0
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En une heure, la Terre reçoit en énergie solaire l'équivalent d'une année de consommation énergétique mondiale. Pour cette raison, les cellules photovoltaïques qui convertissent des photons en électricité, ont un rôle déterminant à jouer dans la transition énergétique imposée par les changements climatiques. Les cellules solaires sensibilisées par des colorants sont une des technologies émergentes qui ont déjà été utilisées à l'échelle industrielle à travers quelques exemples d'intégration aux bâtiments. Elles représentent une alternative esthétique et peu cher comparée aux cellules à silicium. Ces cellules hybrides dites de « Grätzel » utilisent un semi-conducteur inorganique nanostructuré sur lequel est greffé un colorant qui à l'état photo-excité va injecter des électrons dans l'oxyde. Ce sensibilisateur va être régénéré par un couple redox présent dans un électrolyte ou un transporteur de trous moléculaire qui eux-mêmes vont être régénérés à la contre-électrode. Dans ce contexte, ce travail présente les études réalisées sur certains constituants de la cellule (du semi-conducteur jusqu'au système régénérateur du colorant). La majeure partie de cette thèse concerne la synthèse et la caractérisation avancée de nouveaux semi-conducteurs organiques, des colorants ou des transporteurs de trous moléculaires, et l'étude des relations structure/propriétés. En particulier, le remplacement, la substitution ou la rigidification de groupements présents dans ces structures ont été réalisés et leur influence sur les propriétés des nouvelles molécules a été étudiée. Les colorants synthétisés présentent des maxima de la bande d'absorption à plus faible énergie allant de 440 nm à 610 nm. Les niveaux d'énergie de ces nouveaux matériaux organiques ont été déterminés par voltammétrie cyclique et également calculés et localisés par la chimie quantique. Certains composés ont été étudiés par diffraction des rayons X, par analyse thermogravimétrique ou par calorimétrie différentielle à balayage. Après une complète caractérisation, ces matériaux ont été intégrés dans des dispositifs photovoltaïques à colorants en utilisant un électrolyte liquide pour atteindre des efficacités élevées jusqu'à 9,78 % en utilisant un seul colorant et jusqu'à 10,90 % dans le cas de la co-sensibilisation du TiO2 par deux sensibilisateurs. Certains colorants ont également conduit à des efficacités se situant à l'état de l'art à 7,81 % en remplaçant l'électrolyte liquide par un liquide ionique. De plus, certains colorants dans ces mêmes dispositifs ont présenté une excellente stabilité avec une perte comprise entre 7 et 38 % après 7000 heures d'illumination continue à 1000 W.m-2 à 65 °C. Enfin, des premiers tests ont également été réalisés en dispositifs à l'état solide qui ont conduit à une efficacité 4,5 % avec un transporteur de trous de référence ouvrant de nouvelles perspectives d'application après optimisations. En parallèle, les nouveaux transporteurs de trous synthétisés dans ce travail se sont révélés efficaces en cellules à base de pérovskites.
Author: Julien Warnan
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Languages : fr
Pages : 215
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Book Description
L’objectif de cette thèse était d’apporter une contribution aux développements de cellules photovoltaïques hybrides fondées sur l’emploi de colorants et de semi-conducteurs de type n (SCn, TiO2 et ZnO) et de type p (SCp, NiO). Dans ce contexte, ces recherches ont porté sur la synthèse, l’étude physico-chimique et photovoltaïque de sensibilisateurs innovants. Deux stratégies fondées sur la synthèse de colorants panchromatiques ont été développées afin de maximiser la collecte des photons du spectre solaire et d’augmenter ainsi le photocourant débité par les cellules. Ainsi, une porphyrine de zinc (PZn) et un dicétopyrrolopyrrole (DPP), aux absorptions complémentaires, ont d’abord été fusionnés en un seul colorant panchromatique. La seconde approche utilise une cascade excitonique entre des antennes et un colorant absorbant dans le proche IR, une squaraine. L’énergie acquise par les antennes est alors transférée à la squaraine qui réalise l’injection de charge dans le SC. Cette stratégie a ensuite été étendue à la sensibilisation de SCp, les antennes jouant le double rôle de collecteur de lumière et d’accepteur d’électron. L’objectif est à la fois d’accroître la quantité de lumière absorbée tout en diminuant les recombinaisons de charges. Enfin, l’acétylacétone a été proposée pour remplacer les acides carboxyliques pour immobiliser un colorant sur le ZnO ou le NiO. Son interaction avec ces SCs et les effets électroniques induits ont été étudiés par des mesures physico-chimiques et rationalisés par des calculs quantiques.
Author: Cyril Aumaitre
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
A l'échelle mondiale, la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique est de plus en plus importante. Basées sur le principe de la photosynthèse, les cellules solaires à colorant sont une des technologies émergentes viables pour une intégration en bâtiment. Ces cellules hybrides utilisent un oxyde semi-conducteur inorganique dont la surface est recouverte d'un colorant organique. L'absorption de la lumière incidente par ce colorant va provoquer l'injection d'un électron de l'état photo-excité de la molécule dans la bande de conduction de l'oxyde. Un médiateur rédox présent dans l'électrolyte va venir régénérer le colorant oxydé et générer un courant sous illumination. Les colorants déjà décrits dans la littérature présentent déjà des rendements de conversion pouvant atteindre 14 % mais très peu de ces matériaux peuvent absorber jusque dans la gamme proche infrarouge (700-1000 nm). Pourtant l'absorption des photons de cette gamme spectrale pourrait mener à une plus grande densité de courant générée et à de meilleures performances globales. Dans ce contexte, ce travail présente une étude complète de nouveaux colorants absorbeurs panchromatiques capable de collecter des photons jusque dans la gamme proche infrarouge. Pour cela, l'approche « donneur-accepteur » a été utilisée afin d'obtenir les propriétés optoélectroniques désirées. Une première famille à base de dérivés du benzothiadiazole a été développée conduisant à de très bonnes propriétés d'absorption dans la gamme proche infrarouge (absorption jusqu'à 925 nm). Les propriétés optiques, électrochimiques et photovoltaïques de ces matériaux ont été étudiées afin de comprendre les limitations de ces matériaux pour une application en cellules solaires. Suite à cela, une nouvelle famille de colorant à base de dérivés de l'isoindigo a été synthétisée et étudiée par spectroscopie UV-Visible, électrochimie et simulation DFT. Ces composés absorbent fortement dans la gamme UV-visible et proche infrarouge jusqu'à 848 nm. Après avoir optimisé les conditions d'imprégnation et de formulation de l'électrolyte, nous avons atteint un rendement de conversion en dispositif de 5,76%. Des mesures photophysiques nous ont permis d'avoir une compréhension fine des facteurs limitant l'efficacité de conversion de ces colorants. Fort de ce constat, nous avons amélioré la structure d'une des molécules pour atteindre un rendement de 7,0 %. Nous avons aussi de manière prospective testé différents matériaux alternatifs au système TiO2/iode classiquement utilisé.
