Elaboration, caractérisation et modélisation optique d'électrodes transparentes intégrant des nanofils d'Ag pour des applications solaires

par Malika Chalh

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

Sous la direction de Bruno Lucas et de Sylvain Vedraine.

Soutenue le 05-06-2018

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Valérie Madrangeas.

Le jury était composé de Bruno Lucas, Philippe Torchio, Bernard Ratier.

Les rapporteurs étaient Laurence Vignau, Linda Cattin-Guenadez.


  • Résumé

    Les électrodes transparentes sont intégrées dans de nombreux dispositifs optoélectroniques tels que (les OLED, les cellules photovoltaïques, les écrans tactiles...). De nos jours, l’électrode transparente la plus utilisée est l’oxyde d’indium dopé étain (ITO : Indium Tin Oxide) qui présente une transparence élevée et une faible résistance carrée. Malgré ces propriétés optoélectroniques exceptionnelles, l’ITO présente des inconvénients tels que la rareté de l’indium et sa fragilité qui est incompatible avec les substrats flexibles. Les nanofils d’argent (AgNWs) sont considérés comme une alternative potentielle pour remplacer l’ITO en vue de leur excellentes propriétés optoélectroniques et leur flexibilité. Néanmoins, les AgNWs souffrent de certains inconvénients (adhérence au substrat, rugosité). Dans ce travail nous proposons une structure de type Oxyde/Métal/Oxyde (OMO) en insérant une couche d’AgNWs comme couche métallique entre deux couches de nanoparticules d’oxydes (ZnO, AZO, WO3) pour fabriquer des électrodes tricouches de type ZAZ, AAA et WAW. Ces dernières ont montré transmission élevée combinée à une faible résistance carrée, ce qui leur permet d’être considérées comme des électrodes alternatives à l’ITO. De plus, les électrodes ZAZ et AAA ont été intégrées avec succès dans des cellules solaires organiques. En outre, un outil numérique potentiel utilisant la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain) nous permis de confirmer les résultats expérimentaux pour les électrodes ZAZ. Ainsi, l’amélioration de l’absorption au sein de la couche active via l’effet plasmonique des AgNWs a été démontrée également. Finalement, nous avons pu modéliser un réseau semi-aléatoire des AgNWs inséré entre deux couches de ZnO tout en démontrant la différence en transmission entre une couche dense et une en nanoparticules de ZnO.

  • Titre traduit

    Elaboration, caracterization and optical modelling of transparent electrodes imbeddeing silver nanowires for solar applications


  • Résumé

    Transparent Electrodes (TEs) are crucial components of wide variety of optoelectronic devices as (OLEDs, photovoltaic cells, touch screen…). Nowadays, the transparent electrode widely used is Indium Tin Oxide (ITO), due to its good optoelectronic properties. However, it presents some drawbacks such as the indium scarcity and its brittleness which is not compatible with flexible substrates. Silver nanowires (AgNWs) were considered as potential alternative to replace ITO because of their good optical and electrical properties. Although promising, the AgNWs presents some drawbacks, including the poor adhesion to substrate and the surface roughness. In this work, we propose a sandwich structure Oxide/Metal/Oxide (OMO), where the metallic layer is based on AgNWs. We embedded AgNWs between two nanoparticles oxide layers of (ZnO, AZO, WO3) in order to fabricate trilayer electrodes which are ZAZ, AAA, WAW. These trilayer electrodes show a high transmittance and a low sheet resistance, which lead to consider them on of the alternative to the ITO. In addition, the ZAZ and AAA electrodes were successfully integrated in organic solar cells with good photovoltaic performance. Moreover, using the potential numerical method FDTD (Finite Difference Time Domain) we demonstrated a good agreement between the experimental and numerical results for the ZAZ electrodes. Therefore, the enhancement of absorption inside active layer due to the plasmonic effect of AgNWs was also demonstrated. Finally, we can model a randomly network of AgNWs embedded between two layers of ZnO, with investigating the difference between a dense and nanoparticles layer of ZnO.


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