Utilisation d’un oxyde comme couche tampon à l’interface électrode/semi-conducteur organique dans une cellule photovoltaïque

On the use of an oxide as buffer layer at the electrode / organic semiconductor interface in a photovoltaic cell

• Auteur / Autrice : Duc-Tuong Nguyen
• Direction : Pierre-Yves Jouan, Linda Cattin-Guenadez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux, Plasma et couches minces
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Photopiles

Pulvérisation cathodique

Couches minces

Mots clés libres

Pulvérisation cathodique réactive

Oxyde de nickel

Cellules photovoltaïques organiques

Electrode transparente

Semi-conducteur type p

Plasma réactif

Résumé

Ces travaux concernent l’utilisation d'un oxyde comme couche tampon à l'interface électrode/semi-conducteur organique dans une cellule photovoltaïque afin d’en augmenter le rendement et la durée de vie. A l’heure actuelle les performances des cellules photovoltaïques organiques sont limitées par la barrière de potentiel à l'interface électrode/semi-conducteur et le drainage médiocre des charges vers les électrodes. Notre étude porte sur l’optimisation de couches minces de NiO déposées par pulvérisation cathodique réactive DCMS et HiPIMS. Nous avons montré que les conditions de décharge telles que la pression, puissance et pourcentage de gaz réactif jouent un rôle déterminant sur la qualité des films de NiO. Les films obtenus étaient bien cristallisés avec une orientation préférentielle (111) ou (200) selon qu’ils étaient sur-stœchiométriques en nickel ou oxygène. L’écart à la stœchiométrie permettant d’augmenter la conductivité mais diminuant la transmittance. Les recuits réalisés sur ces films ont montré qu’ils devenaient transparents quelle que soit leur composition initiale tout en gardant une orientation préférentielle représentative de leur teneur en oxygène initiale. Pour les films de NiO déposés par HiPIMS nous avons montré qu’il était possible de contrôler finement la quantité d’oxygène dans nos films en faisant varier la largeur des pulses et par la même d’ajuster le gap optique depuis 3,28 eV jusque 4,18 eV en fonction de la largeur de pulse. Ensuite nous avons montré qu’en introduisant une couche mince de NiO à l’interface ITO/Organique on pouvait améliorer le rendementd'un facteur 3 et multiplier la durée de vie des cellules photovoltaïques organiquespar plus de 17. Enfin, nous avons optimisé les propriétés électriques et optiques des structures multicouches MoO3/Ag/MoO3et montré qu’on pourrait, à terme, remplacer l’ITO par une structure MoO3(20 nm)/Ag(10nm)/MoO3(35nm).

This work involved the use of an oxide as the buffer layer at the electrode / organic semiconductor interface in a photovoltaic cell in order to increase the efficiency and lifetime. Currently the efficiency of organic solar cells is restricted by the high potential barrier at the electrode / semiconductor contact and inefficiencies in the transport of electric charges to the electrodes. Our study focuses on the optimization of NiO thin films deposited by reactive sputtering DCMS and HIPIMS. We have shown that the discharge conditions such as pressure, power and percentage of reactive gas play an important role on the properties of NiO thin films. The films were well crystallized with a preferential orientation (111) or (200) related to the sub-stoichiometric in oxygen or nickel. The deviation from stoichiometry leads to an increase of the conductivity but also to a decrease of the transmittance. After annealing processing, these films became transparent whatever their initial composition while maintaining a preferred orientation which is representative of their initial oxygen content. For NiO thin films deposited by HIPIMS we have proved that it was possible to precisely control the amount of oxygen in our films by varying the pulse width but also possible to adjust the optical gap from 3. 28 eV up 4. 18 eV. Then we have shown that by introducing a thin layer of NiO at the ITO / Organic semi-conductor interface, the performance and the lifetime of organic solar cells could be improve by 3 and more than 17 times respectively. Finally, we optimized electrical and optical properties of multilayer structures MoO3/Ag/MoO3 that could eventually replace the ITO by a structure MoO3 (20 nm) / Ag (10 nm) / MoO3 (35 nm).