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Si la part croissante du photovoltaïque (PV) 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 projets de recherche dans le monde avec comme objectifs de réduire le coût du photovoltaïque et d'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 en les mettant en œuvre dans la fabrication de composants photovoltaïques innovants. |
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<table border="0" width="100%"> |
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<tr valign=top><td width="12%">[[Fichier:Cellule6aRed2.jpg]]</td> |
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<td><p><em><strong>T. Heiser</strong>, P. Lévêque, E. Steveler, N. Zimmermann, S. Fall</em></p></td></tr> |
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<p>Ce thème est consacré au domaine de l'électronique organique et a comme objectif le développement de nouveaux dispositifs à base de semi-conducteurs organiques pour des applications photovoltaïques ou pour les capteurs. L'activité est fortement multidisciplinaire et repose sur des collaborations étroites avec des laboratoires voisins ([http://icpees.unistra.fr ICPEES], [http://www-ics.u-strasbg.fr ICS], [http://www-ipcms.u-strasbg.fr/?lang=fr IPCMS], [http://www.is2m.uha.fr IS2M]) au travers du réseau [http://www.rhinsolar.eu/fr/ Rhin-Solar].</p> |
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<p>Le groupe s'intéresse principalement à l'étude des propriétés opto-électroniques de nouveaux matériaux organiques, conçus pour remplir une fonction spécifique (transport de charge, absorption de la lumière, identification d'éléments chimiques ...) au sein de dispositifs originaux. Pour réaliser ces travaux, le laboratoire dispose depuis peu d'une [http://plateforme.icube.unistra.fr/c3fab/index.php/Technologie_organique_-_boites_%C3%A0_gants plate-forme technologique] d'élaboration et de caractérisation de composants organiques sous atmosphère contrôlée. Cette plate-forme est composée de plusieurs boîtes à gants couplées, équipées de systèmes de dépôt de couches minces organiques et inorganiques (par voie humide ou par évaporation sous vide) et d'équipements de caractérisation.</p> |
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<p>Les recherches actuelles se focalisent plus particulièrement sur trois types de composants : les cellules photovoltaïques de type hétérojonction en volume donneur/accepteur pour la production d'électricité renouvelable, les transistors organiques à effet de champ pour les capteurs chimiques et les valves optiques organiques pour l’optique adaptative.</p> |
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__TOC__ |
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==Propriétés opto-électroniques== |
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<p>Les propriétés des matériaux semi-conducteurs organiques π-conjugués dépendent en premier lieu de leur structure moléculaire. Pour autant, la complexité des systèmes moléculaires empêche l'estimation des propriétés électroniques des matériaux à partir des seules données moléculaires. Des études expérimentales sont donc indispensables pour établir les liens entre la structure, les procédés de dépôt des matériaux en films minces et les propriétés de transport de charges (mobilité) (comme illustré sur la Fig. 1). Ces connaissances sont cruciales pour, d'une part, faciliter l'optimisation du procédé de dépôt et améliorer les performances des dispositifs et, d'autre part, pour orienter le choix des chimistes vers de nouvelles structures chimiques plus appropriées pour la fonction recherchée.</p> |
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<table border="0" cellpadding="5" cellspacing="1" style="width:100%;"> |
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<tr><td>[[Image:EvolutionMobiliteTrous.jpg|center|x200px|Evolution de la mobilité des trous en fonction de leur concentration]] |
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<td><p>Fig. 1 : Evolution de la mobilité des trous en fonction de leur concentration pour différentes molécules dérivées d’une même famille de polymères conjugués. Les résultats montrent que les chaînes solubilisantes impactent fortement l’assemblage des molécules et donnent lieu à des propriétés électroniques très différentes (S. Fall, J. Mater. Chem. 2016, 4, 4286)</p></td> |
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</tr></table> |
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<p>Grâce aux collaborations citées ci-dessus, nous avons pu, entre autres, effectuer des études approfondies du transport de charges sur plusieurs familles de molécules semi-conductrices (polymères ou molécules à faible poids moléculaire) et étudier les corrélations structure-propriétés. Nous avons pu montrer en particulier que l'analyse des caractéristiques électriques de deux types de composants électroniques (transistors à effet de champ et diodes métal/semi-conducteur/métal en régime de courant limité par la charge d'espace), complétée par des mesures de diffraction X, permet d'estimer l'anisotropie du transport de charge (différence entre mobilités respectivement dans le plan et perpendiculaire au plan du film organique) ainsi que le degré de désordre énergétique (à partir de la dépendance de la mobilité en fonction de la densité de porteurs libres). En appliquant cette méthode à une série de polymères à faible bande interdite (conçus pour l'application photovoltaïque), se différenciant uniquement par la nature (linéaire ou ramifiée) et la densité des chaînes alkyles greffées sur le cœur conjugué, nous avons montré que des modifications structurales a priori mineures ont un impact considérable sur l'organisation des polymères et sur le transport de charge qui en découle. Ainsi, pour une densité de chaînes alkyles linéaires suffisamment faible, les polymères étudiés adoptent une configuration hélicoïdale aux propriétés inhabituelles : forte anisotropie de transport, synonyme d'un ordre structurel à l'échelle mésoscopique, associée à un désordre énergétique élevé attribué à un désordre structurel intramoléculaire.</p> |
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=Thèmes développés= |
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==Cellules photovoltaïques organiques== |
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<p>La progression récente des performances des cellules photovoltaïques organiques élaborées par voie humide (augmentation du rendement de conversion de 6,5% en 2007 à 11,5% en 2016) est en majeure partie due au développement de nouveaux matériaux organiques aux propriétés améliorées : optimisation des niveaux énergétiques des orbitales frontières, auto-assemblage compatible avec une mobilité de charges élevée, etc. Les travaux menés par notre équipe s'inscrivent dans cette stratégie. Ils visent en premier lieu à (i) valider le potentiel photovoltaïque de nouvelles molécules, i.e. vérifier l'adéquation entre leurs propriétés optiques, électrochimiques et physico-chimiques et leur fonction au sein du dispositif photovoltaïque, (ii) optimiser leur mise en œuvre pour atteindre de meilleurs rendements de conversion énergétique et (iii) identifier les mécanismes physiques qui déterminent ou limitent leurs performances. C'est en collaboration avec les partenaires de MATEOH-PV que nous avons étudié plusieurs matériaux organiques conçus pour le photovoltaïque : les polymères donneur-accepteur à faible bande interdite, les polymères fluorés, les molécules conjuguées à faible masse molaire et les co-oligomères et copolymères à blocs donneur-accepteur. Dans le cas des polymères à faible bande interdite, nous avons montré que l'ingénierie des niveaux énergétiques (HOMO, LUMO) par voie chimique (sélection des groupements accepteurs et/ou donneurs d'électrons), assistée par la modélisation numérique des orbitales frontières (calculs DFT pour "Density Functional Theory") est un moyen efficace pour optimiser le recouvrement spectral avec la lumière solaire tout en augmentant la tension de circuit ouvert. Cette approche nous a amené à augmenter continuellement les performances photovoltaïques d'une même classe de polymères (mêmes unités conjuguées), passant de 2,9% en 2010 à 4,2% en 2015. Les études du transport de charge et de la microstructure de ces polymères ont cependant mis en évidence que la formation de lamelles cristallines, parallèles au substrat, atténue l'efficacité d'extraction des charges photogénérées (faible mobilité perpendiculaire au substrat) et limite la valeur du rendement maximal accessible. La substitution de deux atomes d'hydrogène du groupement accepteur par des atomes de fluor, combinée avec l'ajout de chaînes alkyles allongées (pour assurer une bonne solubilité dans les solvants usuels) nous a permis de contourner cette difficulté. Ces polymères fluorés possèdent en effet une mobilité de charges perpendiculaire au film supérieure de deux ordres de grandeur à celle des polymères non fluorés, conséquence d'une orientation favorable ("face-on") des polymères à l'interface avec le substrat. Après optimisation du procédé, nous avons atteint un rendement de conversion de 10% (±0,5%) sur une surface de 12 mm<sup>2</sup>. A noter également que le procédé optimal mis en place ne nécessite aucun additif chimique ni traitement thermique post-dépôt et que les premiers tests de stabilité sont particulièrement prometteurs.</p> |
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==Vers l’industrialisation du photovoltaïque organique== |
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<p>Nous avons utilisé une approche similaire sur des matériaux moléculaires de faible masse molaire. Deux familles de molécules ont été étudiées : les dérivées de BODIPY et des molécules à base de triazatruxène (TAT). Les BODIPY se distinguent par leurs excellentes propriétés d'absorption lumineuse (coefficient d'extinction de l'ordre de 100000 M<sup>-1</sup>cm<sup>-1</sup>) et par le positionnement optimal des niveaux énergétiques. Un rendement de 5% a été atteint en 2012 ce qui nous a amené à protéger cette famille de composés par un brevet. Ces molécules ont fait ensuite l'objet de nombreux travaux d'optimisation complémentaires par les partenaires du réseau Rhin-Solar. D'autre part, les molécules TAT présentent une structure moléculaire particulièrement intéressante pour leurs propriétés opto-électroniques. Deux unités TAT donneurs d'électrons, situées aux extrémités de la molécule, sont associées à une unité centrale accepteur d'électrons. La planéité des TAT assure un bon couplage intermoléculaire (ou π-stacking) alors que l'unité centrale permet l'ajustement des niveaux frontières. L'optimisation de l'architecture moléculaire (choix du motif central et des groupements alkyles) et de la mise en œuvre de ces composés nous a permis d'atteindre un rendement de conversion de 6,3% (Fig. 2). Ces études ont été menées dans le cadre de plusieurs projets nationaux (ORION) et internationaux (Rhin-Solar).</p> |
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<table border="0" cellpadding="5" cellspacing="1" style="width:100%;"> |
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<tr><td>[[Image:EvolutionRendementPVorganique.jpg|center|x180px|Rendements de conversion de cellules photovoltaïques à base de semi-conducteurs organiques]] |
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<td><p>Fig. 2 : Evolution des meilleurs rendements de conversion photovoltaïque obtenus avec des molécules (polymères ou semi-conducteurs moléculaires) synthétisées par les laboratoires partenaires ICPEES et IPCMS (J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 4296)</p></td> |
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</tr></table> |
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<p>Enfin, dans le cadre de deux projets ANR (SPIRWIND et PICASSO) nous avons étudié les dispositifs à base de copolymères et co-oligomères à blocs, conçus pour permettre un meilleur contrôle de la nanostructuration de la couche photosensible. Il s'agit d'une voie exploratoire ayant comme objectifs la formation par auto-assemblage de nanodomaines respectivement donneur et accepteur d'électrons et l'étude des propriétés optiques, électroniques et photovoltaïques de ces nanostructures. Parmi les résultats marquants on peut citer l'obtention d'une morphologie parfaitement ordonnée à partir des co-oligomères à blocs, caractérisée par un transport de charge ambipolaire équilibré (mobilités des électrons et des trous du même ordre de grandeur).</p> |
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<p>D'autre part, une activité de modélisation physique de cellules solaires organiques à hétérojonction en volume à démarré en 2011. Alors que de nombreux modèles unidimensionnels existent dans la littérature, considérant la couche active comme un mélange homogène des matériaux donneur et accepteur, il a été décidé d'élaborer un modèle bidimensionnel plus réaliste, caractérisé par une interface non plane entre donneur et accepteur. Par ailleurs, une méthode originale d'extraction de paramètres utilisant des chaînes de Markov a été mise en place, pour la première fois dans ce domaine de la physique. Elle permet d'avoir accès à une quinzaine de paramètres difficiles à déterminer expérimentalement et sensibles aux molécules constituant la couche active des cellules solaires organiques. Afin d'évaluer les mécanismes en œuvre, les facteurs de mérite des cellules organiques (tension en circuit ouvert, courant de court-circuit, rendement ...) ont également été simulés en fonction de différents paramètres tels que l'illumination, la température ou encore les propriétés des matériaux considérés.</p> |
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==Capteurs et valves optiques== |
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<p>Dans ce domaine nous cherchons à mettre en œuvre les polymères conjugués comme élément fonctionnel dans deux types de dispositifs : les capteurs de gaz (projet ANR Transfilsen, coopération avec l'ICG de Montpellier, projet API Coralie) et les valves optiques (projet DSTL, collaboration avec l'Université de Southampton). L'élément actif du capteur de gaz est un transistor organique à effet de champ. Le polymère conjugué qui forme le canal conducteur est sensible aux composés organiques volatiles (acétone, éthanol ...) et peut de ce fait être utilisé pour la détection de ces substances. Les premiers résultats, obtenus avec un polymère commercial (P3HT), sont en bon accord avec ceux de la littérature et valident notre procédé expérimental. Nous avons ensuite pu montrer que l'on peut améliorer la sélectivité de ces capteurs en utilisant la réponse dynamique (amplitude de l'hystérésis) comme paramètre de détection supplémentaire (Fig. 3). L'utilisation de molécules conçues spécifiquement pour la détection est en cours.</p> |
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<table border="0" cellpadding="5" cellspacing="1" style="width:100%;"> |
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'''Personnes impliquées : P. Lêvèque, T. Heiser, J. Wang, S. Fall''' <br> |
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<tr><td>[[Image:ReponseCapteursOrganiques.png|center|x180px|Réponse de capteurs OFET organiques]] |
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<td><p>Fig. 3 : Réponse multi-paramétrique (mobilité, courant, hystérésis) des capteurs OFET en fonction de la concentration en analytes (éthanol ou acétone). Seule la prise en compte des trois paramètres permet de distinguer les deux analytes (P. Lienerth, Sens. Actuators B 2016, 225, 90)</p></td> |
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</tr></table> |
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'''Collaborations : N. Leclerc (ICPEES), B. Heinrich (IPCMS), S. Méry (IPCMS), M. Kohlstädt (FMF, Université de Freiburg), U. Würfel (Fraunhofer ISE).''' |
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<p>Enfin, nous développons depuis 2013 des valves optiques à cristaux liquides (CL) intégrant comme couche photoconductrice et comme couche d'alignement des CL, un film mince à base d'un mélange polymère-fullerène. La réponse électrique du mélange en présence de lumière (augmentation de la conductivité) agit sur l'alignement des cristaux liquides et modifie localement (à l'endroit exposé à la lumière) la biréfringence du milieu. Cette particularité permet de contrôler optiquement la réponse (transparence) de la valve optique, ouvrant ainsi de nouvelles applications à ce type de dispositifs (élément diffractif photo-induit, atténuation de la transparence aux fortes luminosités ...).</p> |
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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 : <br> |
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- Production du polymère à l’échelle du gramme voir plus, <br> |
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- Éviter les solvants halogénés pour le dépôt de la couche active par voie humide,<br> |
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- Éviter les matériaux rares (Ex : Indium) pour l’élaboration d’électrodes transparentes conductrices,<br> |
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- Passer du dispositif à l’échelle du laboratoire (12 mm2) à de grandes surfaces (> 60 cm2). |
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[[File:Image6.png|center|700px]] |
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<div class="center"> 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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</div> |
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==Mélanges ternaires pour un meilleur rendement et/ou une stabilité accrue== |
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{|style="color: #4392D8;" width="100%" |
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| style="width: 10%; | |
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'''Personnes impliquées : P. Lêvèque, T. Heiser, A. Labiod, S. Fall''' <br> |
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'''Collaborations : N. Leclerc (ICPEES), B. Heinrich (IPCMS), S. Méry (IPCMS), F. Zhang (Université de Zhengzhou).''' |
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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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[[File:Image7.png|center]] |
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<div class="center"> 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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[[File:Image8.png|center]] |
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<div class="center"> 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== |
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{|style="color: #4392D8;" width="100%" |
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'''Personnes impliquées : E. Steveler, T. Heiser, J. Jing''' <br> |
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'''Collaborations : N. Leclerc (ICPEES), B. Heinrich (IPCMS), S. Méry (IPCMS), W. Uhring (ICube, SMH), Pascal Didier (LBP).''' |
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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. <br> |
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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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[[File:Image9.png|center]] |
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<div class="center"> 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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</div> |
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==Downshifting et downconversion pour cellule solaire== |
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{|style="color: #4392D8;" width="100%" |
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| style="width: 10%; | |
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'''Personnes impliquées : T. Fix, G. Ferblantier, A. Slaoui ''' <br> |
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'''Collaborations : IPVF, IPHC, IJL''' |
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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). <br> |
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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. <br> |
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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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[[File:Image10.png|center]] |
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<div class="center"> Figure 5 : Impact du complexe Eu (tta) 3 (tppo) 2 dans un polymère EVA sur les cellules solaires CIGS |
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</div> |
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==Nouveaux oxydes pour absorbeurs photovoltaïques== |
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{|style="color: #4392D8;" width="100%" |
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| style="width: 10%; | |
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'''Personnes impliquées : T. Fix, C. Venugopalan Kartha, G. Ferblantier, D. Muller, A. Slaoui ''' <br> |
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'''Collaborations : IPCMS, Purdue University, University of Bologna, Tokyo University of Science''' |
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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. <br> |
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Nous utilisons le dépôt par ablation laser (PLD) pour étudier de nouveaux absorbeurs d'oxyde pour les cellules solaires. |
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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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[[File:Image11.png|center]] |
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<div class="center"> 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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</div> |
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==Films minces de clathrate de silicium== |
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{|style="color: #4392D8;" width="100%" |
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| style="width: 10%; | |
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'''Personnes impliquées : T. Fix, R. Vollondat, S. Roques, D. Muller, A. Slaoui ''' <br> |
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'''Collaborations : IPCMS, INL''' |
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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 minces. 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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[[File:Image12.png|center]] |
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<div class="center"> Figure 7 : Film mince de clathrate de silicium sur c-Si (001). |
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Version du 7 février 2020 à 14:59
Si la part croissante du photovoltaïque (PV) 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 projets de recherche dans le monde avec comme objectifs de réduire le coût du photovoltaïque et d'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 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
|
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).
Mélanges ternaires pour un meilleur rendement et/ou une stabilité accrue
|
Personnes impliquées : P. Lêvèque, T. Heiser, A. Labiod, S. Fall
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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.
Dynamique des excitons et des porteurs de charge
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Personnes impliquées : E. Steveler, T. Heiser, J. Jing
|
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.
Downshifting et downconversion pour cellule solaire
|
Personnes impliquées : T. Fix, G. Ferblantier, A. Slaoui
|
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).
Nouveaux oxydes pour absorbeurs photovoltaïques
|
Personnes impliquées : T. Fix, C. Venugopalan Kartha, G. Ferblantier, D. Muller, A. Slaoui
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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.
Films minces de clathrate de silicium
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Personnes impliquées : T. Fix, R. Vollondat, S. Roques, D. Muller, A. Slaoui
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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 minces. 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.
