Academic literature on the topic 'Photopiles – Matériaux – Structure'

Les applications les plus importantes de la conversion photovoltaïque ont longtemps été limitées au domaine spatial. Le développement des techniques et la prise de conscience des problèmes énergétiques et d’environnement concourent à un nouvel essor de cette source d’énergie. Son intérêt est d’autant plus grand que les sources traditionnelles industrielles sont éloignées, que l’habitat est distribué, et que les investissements liés à l’établissement d’un réseau de distribution sont plus élevés. La principale barrière à son développement terrestre a longtemps été le coût élevé des photopiles. Le panneau solaire à base de silicium fournit de l’électricité à 5FF le kW/h. Les recherches sur de nouvelles structures au silicium et sur de nouveaux matériaux permettent d’envisager de meilleurs rendements pour une fiabilité et des coûts attractifs.

Les performances des cellules solaires à base de pérovskites hybrides contenant des halogénures de plomb (PSC) ont été fortement améliorées depuis dix ans. Ces améliorations ont été rendues possibles en ajustant les compositions et en jouant sur la nature des interfaces des couches de pérovskite et de transport de charge. Cependant, la stabilité opérationnelle à long terme de ces matériaux reste un problème majeur dans l'optique d'une commercialisation de ces matériaux. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse est de comprendre les différentes réactions de dégradation et les aspects cinétiques de ces réactions dans les couches de pérovskites hybrides et les couches de transport de charge, notamment en atmosphère humide. Nous avons notamment analysé les réactions de dégradation des pérovskites à base de méthylammonium (MA) et de formamidinium (FA), en particulier MAPbI3, FAPbI3 et CsMAFAPbIxBr3x. Ces matériaux sous forme de cristaux et de couches minces ont été exposés à des concentrations faibles (40%) et élevées (85%) de vapeur d'eau. Cependant, la coexistence des différents sous-produits organiques/inorganiques et hybrides ainsi que les concentrations diluées des différentes phases formées lors des réactions de dégradation posent des difficultés en terme de caractérisation structurale. Une approche multi-technique combinant la diffraction des rayons, la microscopie et la spectroscopie RMN à l'état solide a été utilisée pour caractériser les différents produits de dégradation. En particulier, la spectroscopie RMN des solides, en tant que méthode de caractérisation locale quantitative, permet de mesurer des concentrations diluées de sous-produits organiques formés lors de la dégradation, qui sont difficiles à détecter à l'aide d'autres techniques de caractérisation. En particulier, cette approche multi-technique a permis d'obtenir des informations uniques sur les transformations de phase du FAPbI3 en fonction du taux d'humidité, de la taille des particules et de l'irradiation lumineuse. Cette approche a ensuite été étendue pour étudier les réactions de dégradation en cascade des pérovskites à base de MAPbI3 avec et sans agent passivant de surface. Enfin, des mesures RMN et RPE sur les solides ont été combinées avec des calculs de chimie théorique, selon une approche de cristallographie RMN, afin de mieux comprendre la relation structure-stabilité-propriété dans un matériau de transport de trous, spiro-OMeTAD. Une étude détaillée des réactions de dégradation à l'aide de techniques de caractérisation multi-échelles décrites dans cette étude a des implications plus larges pour la compréhension au niveau moléculaire des relations structure-traitement-stabilité-propriété dans les pérovskites hybrides et les semi-conducteurs organiques
In the last decade, there has been a progressive increase in the performance of solution-processed hybrid lead halide perovskite solar cells (PSCs), which has been enabled by means of compositional tailoring and interfacial engineering of the perovskite absorber layer and the charge transport layers. However, the long-term operational stability of these materials, including state-of-the-art perovskite formulations, is a major bottleneck in commercializing these materials. In this context, the main objective of this thesis is to understand the different degradation reactions and kinetics aspects of these reactions in hybrid perovskite layers and charge transport layers, especially in the presence of moisture. The degradation reactions in methylammonium (MA) and formamidinium (FA)-based perovskite formulation, in particular, MAPbI3, FAPbI3, and CsMAFAPbIxBr3-x, which are among the high-performing perovskite formulations in PSCs, are studied, analyzed, and compared. In doing so, these materials in crystalline and thin film forms are exposed to low (40% relative humidity, RH) and high (85% RH) water-vapor concentrations. However, the coexistence of the different organic/inorganic and hybrid byproducts and dilute concentrations of different phases formed during the degradation reactions raise challenges in terms of structural characterization. A multi-technique approach involving XRD, microscopy, and solid-state (ss)NMR spectroscopy has been employed to characterize the different degradation products. As a quantitative local characterization technique, ssNMR spectroscopy has notably the ability to probe dilute concentrations of organic byproducts formed upon degradation, which are challenging to detect using other structure-determining techniques. In particular, insights into the moisture-induced phase transformation reactions of FAPbI3 as a function of water vapor concentration, particle size, and light illumination have been obtained by this multi-technique approach. This concept has been later extended to investigate the cascading degradation reactions in MAPbI3-based perovskites with and without surface passivating agents. Our studies indicate that the stability of the perovskite can be adjusted from a few days to several months, depending on the moisture-exposure conditions. Finally, a combination of ssNMR, ssEPR, and computational modelling (NMR crystallography) has been employed to gain insight into the structure-stability-property relationship in a hole-transporting layer spiro-OMeTAD. A detailed study of degradation reactions using multiscale characterization techniques described in this thesis has wider implications for the molecular-level understanding of structure-processing-stability-property relationships in hybrid perovskites and charge transport layers

Ce travail a pour but l'elaboration du materiau absorbeur cuinse2 en vue d'applications photovoltaiques. Apres un etat de l'art sur les differents materiaux utilises dans les cellules solaires, les proprietes, les techniques de fabrication et les resultats obtenus avec le cuinse2 sont donnes. Une etude theorique sur une photopile a homojonction cuinse2 (n/p) est decrite. Le principe, la conception et la mise en uvre d'un appareillage de depot chimique en phase vapeur par decomposition d'organometalliques sont presentes avec une attention particuliere sur le choix des precurseurs: h2se, trimethyl et triethyl indium, cp-cu-tep, cu(hfa)2. Les premiers essais sur les composes cu-se et in-se nous ont amenes a la conception d'un systeme d'injection des gaz dans le reacteur. Enfin, sont presentes les resultats en composition atomique, cristallinite et transmission optique, sur la croissance de films de cuivre, d'alliages cuivre-indium et du compose cuinse2 a partir du complexe cu(hfa)2-trimethylamine, du triethyl indium et de h2se

In this century some of our main issues are energy shortage and pollution. This work will briefly describe these problems, proposing a plan of action combining energy saving and different sustainable energy sources. Within different types of renewable energy sources, solar energy is the most abundant one. To make solar energy a more sustainable and cost effective technology we focus on enhancing the optical characteristics of thin film solar cells. In this category, organic solar cells are good options for their exiguous amount of material and the low energy needed for the fabrication process. This technology can be lightweight, transparent, flexible and conformal in order to be applied to and integrated in various architectural solutions and consumer electronics. After a study of the physics of such devices and on how to optically enhance their performances, we will show some examples where we theoretically and experimentally collect the solar radiation with optical antennas. We report, for the first time in literature, a nanogap antenna that efficiently couples the light in our active material thin film. Finally, we elaborate on the concept of building integrated photovoltaics introducing some examples of solar façades. Based on our research, we are able to design and fabricate an organic transparent solar cell with a visible transparency above 20% and an optically enhanced photon-electron conversion efficiency remarkably similar to its opaque equivalent.
En el presente siglo, algunas de las prioridades son la escasez de la energía y la contaminación. Este trabajo describirá brevemente estos problemas y propondrá un plan de acción que combina el ahorro energético con diferentes fuentes sostenibles de energía. Dentro de estas fuentes de energía renovables, la energía solar es la más abundante. Con el objetivo de hacer la tecnología solar más sostenible y eficiente económicamente nos concentramos en aumentar las características ópticas en celdas solares de película delgada. Dentro de esta categoría, las celdas solares orgánicas son una buena opción porque su desarrollo requiere bajas cantidades de materiales y su fabricación es de baja energía embebida. Adicionalmente, esta tecnología puede ser liviana, transparente, flexible mecánicamente y modular para ser aplicada e integrada en varias soluciones arquitectónicas y de electrónica de consumo. Luego de estudiar los procesos físicos en tales dispositivos y de determinar las metodologías para aumentar ópticamente sus desempeños, mostraremos algunos ejemplos donde teórica y experimentalmente se colecta la radiación solar mediante antenas ópticas. Se reporta por primera vez, una antena de nanogap que acopla eficientemente la luz en la capa activa de la celda solar. Finalmente, se desarrolla el concepto de tecnología fotovoltaica integrada en edificaciones tras introducir algunos ejemplos de fachadas solares. Basados en nuestra investigación, fue posible diseñar y fabricar una celda solar orgánica transparente cuya transparencia en el rango visible estuvo por encima del 20% y una eficiencia de conversión foton-electron aumentada ópticamente que resulto notoriamente similar a la celda solar orgánica opaca equivalente.
La rareté grandissante des ressources en énergie associée à une augmentation de la pollution font partie des enjeux plus importants de ce siècle. Cette thèse décrira brièvement ces deux problématiques et proposera un plan d’action combinant économie d’énergie et diversité des sources d’énergies renouvelables. Parmi les formes d’énergies renouvelables disponibles, l’énergie solaire est la plus abondante. Pour faire de l’énergie solaire une ressource plus durable et plus rentable économiquement, nous proposons d’amplifier les propriétés optiques de cellules solaires en couches minces. Dans cette catégorie, les cellules solaires organiques représentent un choix pertinent de part la faible quantité de matériau nécessaire ainsi que la faible énergie nécessaire au procédé de fabrication. Cette technologie peut être légère, transparente et flexible de sorte qu’elle peut être utilisée dans différentes solutions architecturales s’adaptant à des produits électroniques pour le grand publique. Suivra la théorie sous jacente à ces dispositifs et l’explication de la manière dont leurs performances sont améliorées. Nous présenterons quelques exemples où l’on collecte la radiation solaire avec une antenne optique. Ainsi, nous faisons la toute première démonstration d’une antenne auto-assemblée qui couple efficacement la lumière dans le matériau constituant la couche mince que nous utilisons. Finalement, nous développons le concept de cellules photovoltaïques intégrées en présentant différents cas de façades solaires. Ces travaux nous ont permis de concevoir et de fabriquer une cellule solaire organique transparente avec une transparence dans le visible de 20% et une efficacité de conversion photon-électron améliorée, similaire à une cellule équivalente opaque.
La difficile reperibilità di risorse energetiche e l’inquinamento sono alcuni dei problemi più importanti di questo secolo. In questo lavoro saranno presentati brevemente questi temi proponendo un piano d’azione che abbini il risparmio energetico alle differenti fonti di energia rinnovabili. Nell’insieme delle fonti energetiche rinnovabili l’energia solare è senz’altro la più abbondante. Con l’obbiettivo di rendere lo sfruttamento di tale energia più sostenibile ed economicamente vantaggioso, ci premuriamo di migliorare le caratteristiche ottiche di celle fotovoltaiche a film sottile. In questa categoria utilizziamo, tra le diverse opzioni, le celle solari organiche in quanto la loro fabbricazione richiede una quantità di materiale minimo e un basso consumo energetico. Inoltre questi tipi di dispositivi possono essere leggeri, trasparenti, flessibili e conformabili alle superfici su cui sono applicati. Questa è una tecnologia che potrebbe essere implementata e integrata in varie soluzioni architettoniche o nell’ elettronica di consumo. Dopo aver presentato i principi fisici di tali dispositivi e determinato le metodologie ottiche per aumentarne le prestazioni, vengono illustrati alcuni esempi dove, teoricamente e sperimentalmente, riusciamo a intercettare la radiazione solare con antenne ottiche. Riportiamo, per la prima volta in letteratura, un’antenna ottica con nano-gap che accoppia efficacemente la luce solare nel nostro materiale attivo a film sottile. Nell’ultima parte sviluppiamo il concetto di tecnologia solare integrata negli edifici, introducendo alcuni esempi di facciate solari. Basando il design sulla nostra ricerca, è possibile realizzare una cella solare fotovoltaica organica trasparente, con una trasparenza superiore del 20% e un’ efficienza di conversione fotone-elettrone migliorata grazie all’ottica, che risulta molto vicina all’ equivalente cella fotovoltaica organica non trasparente.

Le présent travail s'articule autour de l'élaboration du matériau binaire In2S3 en couches minces en tant qu'alternative crédible au composé CdS, dans les cellules solaires à base de CuInS2. Nous avons utilisé la technique de dépôt chimique en solution (Chemical Bath Deposition ou CBD) qui est une technique non coûteuse, non toxique et facile à manipuler. Les couches fabriquées sont caractérisées de différents points de vue et à différentes échelles : caractérisations structurale par diffraction de rayons X (DRX), morphologique par Microscopie Electronique à Balayage (MEB), composition chimique par spectroscopie en dispersion d'énergie (EDS), propriétés optiques par spectrophotométrie, et électriques par la méthode du courant thermiquement stimulé (TSC) et par cartographie de courant localisé. L'objectif de ce travail est l'étude systématique des effets du dopage à l'aluminium et à l'étain, et du traitement thermique des films minces de In2S3 déposés sur verre et sur SnO2. Nous avons réalisé tout d'abord par CBD une multicouche d'In2S3 :4%Al formée par trois dépôts successifs sur des substrats verre et SnO2:F. La comparaison des caractéristiques physicochimiques est faite avec la couche non dopée en tant que caractéristiques de référence. L'étude par DRX faite pour différentes concentrations en Al, montre que ce binaire cristallise selon la structure cubique d'orientation préférentielle (400). Une meilleure cristallisation est obtenue pour une concentration en aluminium dans la solution y = [Al]/[In] = 4%. L'analyse optique montre que le gap est direct, il varie de 2,3 à 2,9 eV; la plus large bande optique est obtenue pour y = 4%. C'est une bonne valeur pour l'utilisation du composé β-In2-xAlxS3 comme fenêtre optique dans les dispositifs photovoltaïques. L'étude de l'effet du dopage à l'étain des multicouches d'In2S3, nous a permis de déduire qu'une meilleure cristallinité, une faible rugosité de la morphologie de surface et un gap optique plus proche de l'optimum théorique, sont obtenus pour des films croissants sur le substrat Pyrex avec une concentration d'étain égale à 2‰. L'analyse effectuée par MEB sur la tranche a montré que l'épaisseur moyenne des couches diminue avec l'augmentation de la concentration d'étain. La présence de l'étain, même en très petites quantités induit des changements importants dans le processus de croissance du film. L'étude TSC montre que l'augmentation de la concentration de l'étain au-delà 2 ‰ conduit à une diminution de courant thermiquement stimulé. Le recuit à différentes températures sous azote est appliqué aux couches dopées et non dopées étudiées précédemment. Le traitement thermique sous azote à 400°C provoque une augmentation nette de la taille des cristallites pour pratiquement tous les films minces dopés ou non dopés déposés sur verre ou sur SnO2. L'analyse par diffraction des rayons X a révélé une conversion de la phase cubique (400) à la phase tétragonale (109) pour l'In2S3:4%. Le changement de la forme des cristallites observé par AFM, met également en évidence l'existence d'une autre phase. Les analyses électriques par TSC montrent particulièrement le comportement électrique de type semiconducteur pour les films minces dopés à 4% Al, et recuit à 400°C, ainsi que pour les films minces dopés à l'étain après recuit à 200°C. L'analyse locale du courant de conduction dans la couche de In2S3 fait apparaître des inhomogénéités plus grandes après traitement thermique. Cependant les bons résultats macroscopiques permettent d'envisager sereinement la fabrication de cellules solaires incluant ces couches
The present work focuses on the development of binary material In2S3 thin films as an alternative to CdS in thin film solar cells based on CuInS2. We used the technique of Chemical Bath Deposition (CBD) as it is non-expensive, non-toxic and easy to handle. Layers produced are characterized at different levels and scales: cristalline structure by X-ray diffraction (XRD), surface morphology by Scanning Electron Microscopy (SEM), chemical composition by energy dispersive spectroscopy (EDS), optical properties by spectrophotometry and electrical conduction by thermally stimulated currents (TSC) and local mapping of currents. The objective of this work is the systematic study of the effects of aluminum or tin doping, and heat treatment of In2S3 thin films deposited on glass and SnO2. We achieved first a multilayer of CBD In2S3:Al(4%) formed by three successive deposits on glass and SnO2 substrates. Comparison of physicochemical characteristics is made with the undoped layer as reference features. The XRD study done for different Al concentrations, shows that In2S3:Al crystallizes in the cubic structure with preferential orientation (400). Better crystallization is obtained for a concentration of aluminum in the solution y = [Al] / [In] = 4%. The analysis shows that the optical gap is direct, it varies from 2.3 to 2.9 eV, the largest optical band is obtained for y = 4%. It is a good value for the use of the compound β-In2-xAlxS3 as optical window in photovoltaic devices. The effect of tin doping in In2S3 multilayers induces a better crystallinity, low roughness of the surface morphology and optical gap closer to the theoretical optimum, obtained for films grown on Pyrex substrate with a tin concentration equal to 2 ‰. Analysis by SEM on the wafer cleaved-edge showed that the average thickness of the layers decreases with increasing the concentration of tin. The presence of tin, even in very small quantities induced significant changes in the growth process of the film. The TSC study shows that increasing concentration of tin beyond 2‰ leads to a reduction of thermally stimulated current.Annealing at different temperatures under nitrogen is applied to doped and undoped layers studied previously. Heat treatment under nitrogen at 400 ° C causes a net increase of crystallite size for virtually all thin films doped or undoped deposited on glass or SnO2. The analysis by XRD showed a conversion of the cubic phase (400) to the tetragonal phase (109) for In2S3:Al(4%). Change the shape of the crystallites observed by AFM, also highlights the existence of another phase. The TSC analyzes show particular electrical behavior close to semiconductor type for the thin films doped with 4% Al and annealed at 400°C, as well as thin films doped with tin after annealing at 200°C. The local analysis of the conduction current in the layer of In2S3 shows inhomogeneities larger after heat treatment. However, good macroscopic results should allow to fabricate promising solar cells incorporating these layers