Matériaux et composants photovoltaïques
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
Cellules photovoltaïques organiques
Les cellules solaires organiques font partie des technologies photovoltaïques émergentes dont les caractéristiques très spécifiques (flexibilité, fabrication à température ambiante, semi-transparence,…) devraient permettre d'élargir l'intégration du photovoltaïque dans divers domaines. Les activités de l’équipe visent principalement à améliorer le rendement de conversion photovoltaïque, la stabilité des cellules organiques et à diminuer l’impact environnemental de leur fabrication. Nous menons également des études plus fondamentales sur les relations entre la structure moléculaire et les propriétés électroniques ou photovoltaïques de nouvelles molécules.
Ces travaux sont menés en étroite collaboration avec le consortium STELORG, qui regroupe une quinzaine de chercheurs en chimie, physico-chimie et physique du composant de quatre instituts de recherche strasbourgeois, aux compétences complémentaires.
Nos projets de recherche en cours sur cette thématique sont illustrés par quelques exemples ci-dessous.
Mélanges ternaires pour un meilleur rendement et/ou une stabilité accrue
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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 d’un polymère donneur d’électrons (PF2), synthétisé au sein du consortium Strasbourgeois STELORG, 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. [1] En utilisant un polymère donneur d’électrons (PF2) et deux accepteurs (PC71BM et EH-IDTBR), une bonne stabilité sous illumination a été observée. 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.
[1] X. Ma , Q. An , O. Ibraikulov, P. Lévêque, T. Heiser, N. Leclerc , X. Zhang , F. Zhang, Journal of Materials Chemistry A, 8 (2020) pages 1265.
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Structure moléculaire et propriétés optoélectroniques
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Personnes impliquées : T. Heiser, P. Lévêque, E. Steveler
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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.
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.
Une activité de modélisation à l’échelle atomique a également débuté depuis peu sur la thématique. La dynamique moléculaire ab initio est utilisée pour suivre la diffusion de l’exciton dans un matériau organique dans le but de comprendre comment l’optimiser dans la perspective d’une utilisation en photovoltaïque.
L’ajout d’une plateforme structurante (TAT)[1] de part et d’autre d’un motif efficace (TB2)[2] permet d’agir sur l’arrangement moléculaire à l’état solide pour améliorer la dynamique des porteurs de charges et au final le rendement de conversion des cellules solaires organiques.[3]
[1] T. Bura, N. Leclerc, R. Bechara, P. Lévêque, T. Heiser, R. Ziessel, Adv. Energy Mater. 3 (2013) 1118.
[2] T. Bura, N. Leclerc, S. Fall, P. Lévêque, P. Retailleau, S. Rihn, A. Mirloup, R. Ziessel, J. Am. Chem. Soc. 134 (2012) 17404.
[3] N. Leclerc, I. Bulut, Q. Huaulmé, A. Mirloup, P. Chávez, S. Fall, A. Hébraud, S. Méry, B. Heinrich, T. Heiser, P. Lévêque ChemSusChem. 10 (2017) 1878.
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Downshifting et downconversion pour cellule solaire
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Personnes impliquées : T. Fix, G. Ferblantier, A. Slaoui
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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).
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
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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 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. 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.
Archives : anciens thèmes
Vers l’industrialisation du photovoltaïque organique
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Personnes impliquées : P. Lêvèque, T. Heiser, J. Wang, S. Fall
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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 :
- 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).
