Élaboration et caractérisation de dispositifs photovoltaïques hybrides à base de nanoparticules de ZnO : vers un contrôle de la nanostructuration p-n de la couche photovoltaïque

par Guillaume Poize

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Frédéric Fages et de Jörg Ackermann.

Soutenue en 2009

à Aix Marseille 2 .


  • Résumé

    Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés photovoltaïques des cellules solaires hybrides à base de nanoparticules de ZnO. Dans la première approche, des nanoparticules de formes différentes ont été mélangées avec le polymère poly-(3-hexylthiophène) (P3HT) pour réaliser un réseau interpénétré p-n hybride. Dans la seconde approche, le P3HT a été remplacé par une monocouche de molécules semi-conductrices organiques de type p, directement greffées sur les nanobâtonnets de ZnO. Les études sur les propriétés photovoltaïques du mélange ZnO–P3HT ont montré que la morphologie de la couche photoactive est très sensible à la concentration du méthanol initialement présent dans la synthèse du ZnO. Le meilleur rendement obtenu en utilisant des nanobilles de 4 nm de diamètre est de 0,8% à l'air avec un rendement externe autour de 48 % au maximum d'absorption du P3HT. Cependant les analyses détaillées ont montré que les nanobâtonnets de ZnO favorisent le transport des électrons ainsi que la cristallisation du P3HT. De plus, nous avons trouvé une stabilité à l'air supérieure pour des dispositifs à base de nanobâtonnets. Pour mieux contrôler la nanostructuration de la jonction p-n interpénétrée, nous avons fabriqué des cellules solaires à base de nanostructures p-n coaxiales hybrides. Ces nanostructures sont obtenues par le greffage d'une monocouche organique semi-conductrice de type p directement sur les nanobâtonnets de ZnO et permettent de définir l'interface p-n au niveau d'un nanobâtonnet. Ces jonctions p-n interpénétrées auto-assemblés ont permis d'obtenir des cellules solaires présentant un rendement de 0,1 % à l'air et des rendements quantiques externes de l'ordre de 15%

  • Titre traduit

    Fabrication and characterization of hybrid photovoltaic devices based on nanoparticles of ZnO : Nanoscale control of the p-n junction in photovoltaic devices


  • Résumé

    First, nanoparticles with different shape were simply mixed with the polymer poly-(3-hexylthiophene) (P3HT) in order to realize an interpenetrating hybrid p-n network. Second, P3HT was replaced by a shell of organic semiconductor created by grafting an organic molecule to the surface of the ZnO nanorods. Studies of the photovoltaic properties of the ZnO-P3HT system have shown that the morphology of the photoactive layer is very sensitive to the methanol concentration initially present during the ZnO synthesis. The highest device efficiency of 0. 8% was obtained using nanodots with 4 mm of diameter in air with external quantum efficiency around 48% at the maximum of absorption of P3HT. Detailed analyses have shown that using ZnO nanorods improve the transport of electrons as well as the cristallinity of P3HT. Furthermore, we found that the device stability in air is markedly superior for devices using nanorods. Solar cells were fabricated to test the nanoscale control of the p-n junction morphology possible through the use of the coaxial p-n architecture. These nanoscale controls were obtained by creating a monolayer of grafted organic molecules directly to the surface of the ZnO nanorods and let to define the p-n interface at the level of one nanorod. Examples of these interpenetration selfassembled p-n junctions have demonstrated efficiencies of 0. 1% in air with a maximum external quantum efficiency of 15%

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Informations

  • Détails : 1 vol. (199 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.7, p.47-51, p.71, p.134-138, p.170-171, p.185

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