Élaboration et caractérisation de matériaux hybrides "nanoparticules Zn0 - cristaux liquides" pour applications aux cellules photovoltaïques

Elaboration and characterization of hybrid materials "nanoparticles ZnO - Liquid crystals" for photovoltaic cells applications

• Auteur / Autrice : Mikhael Halaby Macary
• Direction : Christian Legrand, Doumit Zaouk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 09/01/2019
• Etablissement(s) : Littoral en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de dynamique et structure des matériaux moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Agence universitaire de la francophonie - Conseil National de la Recherche scientifique (Liban) - CampusFrance
• Jury : Président / Présidente : Kamal Lmimouni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Madrangeas, Malek Tabbal, Nadine Abboud, Freddy Krasinski, Marie Abboud, Claire Meyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Madrangeas, Malek Tabbal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de zinc

Électronique organique

Cristaux liquides

Photopiles

Mots clés libres

Cristaux liquides

Oxyde ZnO

Temps de vol

Mobilités

Électronique organique

Cellules photovoltaïques

Liquid crystals

ZnO oxide

Time of flight

Mobilities

Organic electronics

Photovoltaic cells

Résumé

Ce travail de thèse s'inscrit dans l'essor important que connaît actuellement le domaine des énergies renouvelables en terme de recherche et de nouvelles technologies de l'énergie. Il est consacré à l'étude de nouveaux matériaux hybrides "nanoparticules ZnO - cristaux liquides" en vue d'applications aux cellules solaires de type hétérojonctions en volume. La motivation est d'utiliser les propriétés d'auto-organisation et de transport de charges des cristaux liquides et d'augmenter les interfaces donneur-accepteur afin d'améliorer leurs performances. Pour la mesures des mobilités des porteurs de charge, un banc de mesure "temps de vol" entièrement automatisé a été développé. Deux cristaux liquides calamitiques ont été caractérisés (DSC, microscopie optique polarisée, UV et "temps de vol"). Deux types de transports de charge, l'un ionique, l'autre électronique sont mis en évidence pour des charges positives et négatives avec des mobilités indépendantes du champ électrique et des comportements différents en fonction de la température. Un procédé d'élaboration des matériaux hybrides a été mis au point. Les caractérisations de ces matériaux montrent l'influence de la concentration en nanoparticules (0,05 à 38% en volume). La taille des domaines dans les phases cristal liquide augmente avec la concentration alors que la température de transition isotrope-SmA diminue fortement. Un résultat important est que les phénomènes de transport sont conservés pour des concentrations importantes (jusque 12% en volume). Le transport électronique est même amélioré. Les propriétés des matériaux élaborés apparaissent intéressantes pour des applications aux cellules photovoltaïques.

This thesis work is a part of the significant growth that is currently taking place in the field of the renewable energy in terms of research and new energy technologies. It is dedicated to the study of new hybrid material "zno particles - liquid crystals" for the applications in "bulk heterojunction" solar cells. The motivation is to increase the donor-acceptor interfaces in hybrid material and to combine the self-organizing and charge transport properties of liquid crystals, in order to improve their performance. A completely automated "time of flight" measuring set-up is developed, for the measurement of the charge carriers mobility in the aforementioned hybrid material. Using the dsc, polarized optical microscopy, uv-visible spectroscopy and "time of flight", we have characterized two calamitic liquid crystals. Two types of charge transport, one ionic, and the other electronic, are highlighted for positive and negative charges with electric field independent mobility and different behaviors with temperature. A process for the elaboration of hybrid materials is developed. The characterization of these materials show the influence of nanoparticles concentrations (0,05 to 38% by volume). The size of the domains in the liquid crystal phases increases with the concentration whereas the isotropic-sma phase transition temperature decreases monotically. Under controlled dispersion of zno nanoparticles in host liquid crystal up to 12% by volume, we have conserved the transport phenomena in hybrid material and study has shown that electronic transport is improved. The characterized hybrid materials have shown their potential application in organic photovoltaic.