Équipe MaCÉPV - Matériaux pour Composants Électroniques et Photovoltaïques

Matériaux et composants photovoltaïques

De Équipe MaCÉPV - Matériaux pour Composants Électroniques et Photovoltaïques
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Si la part du photovoltaïque dans la production d'énergie renouvelable est encore largement due à la filière classique du silicium cristallin, de nombreuses technologies dites "émergentes" font l'objet de travaux de recherche dans le monde et visent à réduire le coût du photovoltaïque et à élargir son champ d'application. Dans ce contexte, le développement de nouveaux matériaux en couches minces dotés de propriétés optiques, électroniques et mécaniques exceptionnelles joue un rôle clé. Notre équipe participe à ces efforts en développant de nouveaux matériaux inorganiques et organiques, en étudiant leurs propriétés fondamentales, et en les mettant en œuvre dans la fabrication de composants photovoltaïques innovants.



Thèmes développés


Vers l’industrialisation du photovoltaïque organique

Personnes impliquées : P. Lêvèque, T. Heiser, J. Wang, S. Fall


Collaborations : N. Leclerc (ICPEES), B. Heinrich (IPCMS), S. Méry (IPCMS), M. Kohlstädt (FMF, Université de Freiburg), U. Würfel (Fraunhofer ISE).

Un polymère donneur d’électrons conçu et synthétisé sur le campus de Cronenbourg (PF2) donne de hauts rendements de conversion (environ 10%) en mélange avec l’accepteur d’électrons PC71BM. Ce projet vise à démontrer son potentiel industriel en développant plusieurs approches :
- Production du polymère à l’échelle du gramme voir plus,
- Éviter les solvants halogénés pour le dépôt de la couche active par voie humide,
- Éviter les matériaux rares (Ex : Indium) pour l’élaboration d’électrodes transparentes conductrices,
- Passer du dispositif à l’échelle du laboratoire (12 mm2) à de grandes surfaces (> 60 cm2).


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Figure 1 : Structure de PF2 et de PC71BM (haut à gauche), caractéristiques (J-V) sous obscurité et sous illumination standard (AM1.5G (100mW/cm2)) (haut à droite) et paramètres photovoltaïques correspondants (bas).


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Mélanges ternaires pour un meilleur rendement et/ou une stabilité accrue

Personnes impliquées : P. Lêvèque, T. Heiser, A. Labiod, S. Fall


Collaborations : N. Leclerc (ICPEES), B. Heinrich (IPCMS), S. Méry (IPCMS), F. Zhang (Université Jiaotong de Pékin).


Étudier des mélanges ternaires dans la couche active pour augmenter le rendement de conversion photovoltaïque et/ou la stabilité des dispositifs. En partant de PF2, des rendements de conversion supérieurs à 12% ont été obtenus en utilisant deux polymères donneurs d’électrons (PF2 et J71) et un accepteur d’électrons non dérivé de fullerène (Y6) de spectres d’absorption complémentaires. En utilisant un polymère donneur d’électrons (PF2) et deux accepteurs (PC71BM et EH-IDTBR), de bonnes stabilités sous lumière ont été observées. Mieux comprendre l’influence des mélanges ternaires en termes de structure à l’état solide et d’accord des niveaux électroniques frontières est un verrou à lever pour obtenir conjointement de hauts rendements et une stabilité suffisante.


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Figure 2 : Structure de PF2, de J71 et de Y6 (gauche), complémentarité des spectres d’absorption (milieu) et niveaux frontières (droite).


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Figure 3 : Structure de PF2, de PC71BM et de EH-IDTBR (gauche), stabilité du rendement de conversion en fonction de la durée d’illumination (droite).


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Dynamique des excitons et des porteurs de charge

Personnes impliquées : E. Steveler, T. Heiser, J. Jing


Collaborations : N. Leclerc (ICPEES), B. Heinrich (IPCMS), S. Méry (IPCMS), W. Uhring (ICube, SMH), Pascal Didier (LBP).


L'efficacité des dispositifs photovoltaïque organique (OPV) est actuellement limitée par la courte durée de vie (< 1 ns) et la faible longueur de diffusion (quelques nm) des excitons photogénérés. Le développement de matériaux organiques avec des longueurs de diffusion élevées (typiquement > 10 nm) se révèle alors être une voie particulièrement intéressante pour améliorer le transport des charges et devrait mener à une amélioration des performances OPV. Dans les films minces, la dynamique des excitons et des porteurs de charge, cruciale pour le fonctionnement des dispositifs OPV, est contrôlée par les interactions intermoléculaires et dépend de l’organisation des molécules dans l’état solide.


Dans ce contexte, nous étudions des familles de molécules organiques avec différentes chaînes latérales et conditions de traitement thermique, permettant d’obtenir des structures moléculaires et des ordres cristallins variés (cristal liquide, aiguilles ou grains cristallins...). Nous étudions ainsi l’influence de l’organisation moléculaire et de l’auto-assemblage sur la dynamique des excitons en vue d’améliorer les performances des dispositifs OPV.


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Figure 4 : Carte de photoluminescence (PL) continue pour des films minces (gauche) amorphe et (milieu) cristallin. (droite) Spectres de PL résolue en temps mesuré sur les films minces amorphe et cristallins.


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Downshifting et downconversion pour cellule solaire

Personnes impliquées : T. Fix, G. Ferblantier, A. Slaoui


Collaborations : IPVF, IPHC, IJL


L'augmentation de l'efficacité de conversion nécessite l'utilisation complète du spectre solaire par la couche de conversion. Une des solutions possibles est les cellules d'impuretés ou cellules à bande intermédiaire, dans lesquelles une modification de la partie active de la cellule est nécessaire. Une autre idée originale consiste à modifier le spectre incident par conversion d'énergie de ses photons, soit par "down-shift" (DS, un photon UV est converti en un photon visible ou proche infrarouge), "down-conversion" (DC, un photon UV est converti en deux photons visibles ou proche infrarouge) ou up-conversion (UC, deux photons infrarouges sont convertis en un photon visible).
Nous étudions plusieurs systèmes de down-shift et de down-conversion, soit sous la forme de films minces d'oxyde et de polymères fonctionnalisés avec des complexes de coordination.
Jusqu'à présent, une augmentation de 0,8 point de l'efficacité des cellules solaires CIGS a été démontrée par ICube, IPHC et IPVF grâce au concept de down-shift (exemple de 13,5 à 14,3% d'efficacité de conversion).


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Figure 5 : Impact du complexe Eu (tta) 3 (tppo) 2 dans un polymère EVA sur les cellules solaires CIGS


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Nouveaux oxydes pour absorbeurs photovoltaïques

Personnes impliquées : T. Fix, C. Venugopalan Kartha, G. Ferblantier, D. Muller, A. Slaoui


Collaborations : IPCMS, Purdue University, University of Bologna, Tokyo University of Science


Les technologies de couches minces photovoltaïques inorganiques sont principalement basées sur le CdTe, le Si amorphe et le CuInxGa1-xSe2 (CIGS). Une percée récente majeure a été obtenue avec des cellules solaires hybrides en pérovskite, avec des rendements de conversion supérieurs à 20% en utilisant une très petite surface mais non stabilisée. Une autre voie possible est l'utilisation d'oxydes métalliques à base d'éléments abondants, généralement stables et non toxiques.
Nous utilisons le dépôt par ablation laser (PLD) pour étudier de nouveaux absorbeurs d'oxyde pour les cellules solaires. Les oxydes étudiés doivent avoir une bande interdite assez faible pour correspondre au spectre solaire. Les oxydes étudiés sont LaVO3, Cu2O, KBiFe2O5, h-TbMnO3 et Bi2FeCrO6. Pour ces derniers, la ferroélectricité est établie et joue un rôle important dans les propriétés photovoltaïques. Les matériaux ferroélectriques font l'objet d'un examen approfondi pour les applications photovoltaïques, après la démonstration d'une efficacité de conversion supérieure à 8% dans les cellules solaires à base de FE. Dans ces cellules, il n'y a pas besoin d'une jonction p-n car la polarisation électrique de la ferroélectricité est responsable de la séparation des charges.


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Figure 6 : (gauche) Système de dépôt par ablation laser pour oxydes, (droite) Image en coupe transversale de microscopie électronique à transmission montrant l'épitaxie de KBiFe2O5 sur MgAl2O4 (001)


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Films de clathrate de silicium

Personnes impliquées : T. Fix, R. Vollondat, S. Roques, D. Muller, A. Slaoui


Collaborations : IPCMS, INL


Les formes courantes de silicium élémentaire (monocristallin, polycristallin et amorphe) jouent un rôle fondamental dans le domaine de l'électronique et les technologies sous-jacentes sont bien maîtrisées. Une alternative prometteuse repose sur un allotrope de silicium : les clathrates de silicium. Ils sont similaires aux fullerènes de carbone car ils forment des sphères creuses. ICube est l'un des rares laboratoires à pouvoir élaborer de tels matériaux sous forme de films. Les propriétés électroniques et optiques de certains de ces clathrates sont très différentes du silicium «standard» car elles peuvent fournir une bande interdite directe, ouvrant la voie à de nouvelles applications en électronique et en optoélectronique. Des applications dans les batteries au sodium-ion émergent également. Non seulement la taille des clathrates, mais aussi la présence d'atomes dopants peuvent considérablement modifier leurs propriétés. L'implantation ionique disponible à ICube est utilisée pour modifier les propriétés des clathrates.


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Figure 7 : Film de clathrate de silicium sur c-Si (001).

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