Nouvelles électrodes poreuses de TiO2 à base de nanocristaux synthétisés par pyrolyse laser pour cellules solaires sensibilisées à colorant à l’état solide

par Hussein Mehlem

Thèse de doctorat en Électronique des hautes fréquences, photonique et systèmes

Sous la direction de Johann Bouclé et de Bernard Ratier.

Soutenue en 2011

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Ce travail vise le développement de nouvelles électrodes poreuses de TiO2 à base de nanocristaux synthétisés par pyrolyse laser, pour cellules photovoltaïques hybrides sensibilisées à colorant à l’état solide. Comparée aux techniques de synthèse conventionnelles, la pyrolyse laser permet en effet un contrôle fin des propriétés physiques des nanoparticules synthétisées (pureté, taille, cristallinité, etc. ), celles-ci étant obtenues avec des taux de production élevés compatibles avec des applications à l’échelle industrielle. Dans un premier temps, la dispersion directe des nanocristaux de TiO2 dans l’éthanol en présence d’éthyle cellulose a permis le dépôt à bas coût d’électrodes mésoporeuses présentant les caractéristiques requises pour l’application. Ces dernières ont alors été implémentées dans des cellules solaires sensibilisées à colorant à l’état solide, à l’aide d’un colorant organique commercial à fort coefficient d’absorption molaire et du transporteur de trous solide de référence « spiro-OMeTAD ». Les performances des cellules réalisées à partir des électrodes poreuses issues de la pyrolyse laser ont été comparées à celles de cellules utilisant des électrodes poreuses de référence élaborées à partir d’une colle commerciale. Un rendement de conversion de puissance de 4. 2%, comparable à celui des cellules de références, a été démontré, illustrant les fortes potentialités de la pyrolyse laser pour l’application photovoltaïque hybride. La caractérisation avancée des cellules a montré qu’un meilleur remplissage des pores nanométriques des électrodes par le verre moléculaire est compensé par des recombinaisons de charges importantes, associées à des distributions de pièges dépendantes de la technique d’élaboration des électrodes. Finalement, la synthèse par pyrolyse laser de nanocristaux de TiO2 dopés à l’azote a été menée, dans le but d’améliorer les propriétés optiques et de transport de charge des électrodes poreuses. Les premières cellules solaires hybrides réalisées à partir de ces nanoparticules ont permis de mettre en évidence une contribution nette de l’azote à la photo-génération de charges, ouvrant de nouvelles perspectives dans le domaine des cellules hybrides à colorants solides.

  • Titre traduit

    Novel porous electrodes based on TiO2 nanocrystals synthesized by laser pyrolysis for solid-state dye-sensitized solar cells


  • Résumé

    This work is devoted to the development of new porous electrodes based on TiO2 nanocrystals synthesized by laser pyrolysis, to be used as photo-anode in solid-state dye-sensitized solar cells. Compared to conventional synthesis techniques, laser pyrolysis enables a fine control of the nanoparticle physical properties (composition, size, cristallinity, etc. ), and is compatible with high production rates and industrial up-scale. First, the direct dispersion of the obtained TiO2 nanocrystals in ethanol with ethyl cellulose allowed us to deposit at low cost mesoporous electrodes presenting suitable properties for the application. These electrodes were then used in dye-sensitized solar cells using a commercial organic dye of high molar extinction coefficient and the molecular hole transporter « spiro-OMeTAD ». Device performance has been compared with that of reference cells based on porous electrodes deposited from commercial TiO2 pastes. A power conversion efficiency of 4. 2%, comparable with that of reference devices, is demonstrated. This result illustrates the strong potentialities of laser pyrolysis for applications in the field of hybrid photovoltaics. The advanced device characterization showed that the use of nanocrystals synthesized by laser pyrolysis allows an efficient pore filling by the molecular glass, which is balanced by strong charge recombination associated with the presence of electron trap sites. These trap distribution are found to be dependent on the electrode fabrication technique used. Finally, laser pyrolysis is used to produce nitrogen-doped TiO2 nanocrystals, in an attempt to improve the optical and charge transport properties of the electrodes. The first solid-state dye-sensitized solar cells based on these doped nanocrystals showed a significant contribution of N-doping to charge photo-generation, illustrating new perspectives in the field of solid-state dye-sensitized solar cells and hybrid photovoltaics.

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  • Détails : 1 vol. (210 p.)
  • Annexes : Bibliographie, 18 p.

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