Optimisation des interfaces de systèmes PV organiques encapsulés

par Sacha Juillard

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Lionel Flandin et de Émilie Planès.

Le président du jury était Jean-Charles Majeste.

Le jury était composé de Solenn Berson, Muriel Matheron, Jean-Jacques Simon.

Les rapporteurs étaient Fabrice Goubard, Bernard Ratier.


  • Résumé

    En vue de limiter la dégradation par l’humidité et l’oxygène des dispositifs photovoltaïquesorganiques flexibles, les cellules solaires sont encapsulées entre des films barrières aux gaz.Malgré l’importance des procédés d’encapsulation et leur potentiel impact sur les performancesinitiales et lors du vieillissement des dispositifs, ils sont rarement étudiés dans la littérature. Enoutre, plusieurs études de vieillissement sur le terrain ont montré que la détérioration mécaniquelimitait la durée de vie des échantillons bien avant que leur stabilité photochimique ne soit miseen cause. L’adhésion entre les différentes couches composant les cellules est donc un facteurcritique afin d’obtenir des dispositifs flexibles fiables après leur mise en oeuvre et lors de leurutilisation.Dans ce travail, deux procédés d’encapsulation ont été étudiés : la lamination à rouleauxd’un adhésif sensible à la pression et la lamination sous vide d’un thermoplastique. Afin dequantifier l’adhésion de chacune des interfaces comprises dans les échantillons, la technique decaractérisation mécanique par pelage à 180° a été adaptée et ensuite appliquée aux dispositifsflexibles. De plus, des techniques de caractérisation des dispositifs par imagerie non-destructiveont été développées : la cartographie du courant induit par faisceau laser (plus courammentconnu sous l’acronyme anglais « LBIC ») et l’imagerie de luminescence sous excitation optiqueet électrique. Grace à ces techniques, l’hypothèse d’une dégradation mécanique des dispositifsdurant le procédé d’encapsulation par lamination à rouleaux a été émise. Des solutions permettantl’amélioration des interfaces identifiées comme mécaniquement faibles ont été recherchées etensuite évaluées par rapport aux performances photovoltaïques des dispositifs de référence.Les techniques d’imagerie développées précédemment ont également été appliquées durant levieillissement en condition accélérées des cellules encapsulées. Un mécanisme a été proposé,qui permet d’expliquer la localisation spatiale de la dégradation mais également le type dedégradation, optique ou électrique, survenu à chaque étape du vieillissement.

  • Titre traduit

    Optimization of the interfaces of encapsulated OPV devices


  • Résumé

    In order to limit the flexible organic photovoltaic devices degradation induced by moisture andoxygen, the solar cells are encapsulated between two gas-barrier films. Despite the importanceof the encapsulation processes and their potential influence on the initial performances as well asduring aging of the devices, they are scarcely described in the literature. Furthermore, severalfield aging studies showed that mechanical degradation could limit the devices lifetime beforetheir photo-chemical stability became an issue. Thus, adhesion between the different layerscomposing the devices is a critical factor in order to develop flexible OPV devices reliable aftertheir manufacturing and during their use.In this work, two encapsulation protocols were studied: the roll-to-roll lamination of apressure sensitive adhesive and the vacuum lamination of a hotmelt thermoplastic. In order toquantify the adhesion strength of every interface comprised in the samples, the 180° peelingtest mechanical characterization was adapted for and then applied to the flexible devices. Inaddition, non-destructive imaging characterization techniques were developed: the laser-beaminduced-current mapping and the luminescence emission imaging under optical and electricalexcitation. Thank to these techniques, the hypothesis of a mechanical degradation occurringduring the roll-to-roll lamination process was made. Answers allowing for the improvement ofthe interfaces identified as weak were searched for and evaluated with respect to the photovoltaicperformances of the reference devices. The imaging techniques previously developed were alsoapplied along the accelerated aging of encapsulated cells. A mechanism was proposed, whichallows one to explain the localization of the degradation but also the failure type, either opticalor electrical, occurring during each aging step.


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