Couches mésoporeuses de TiO2 déposés par PECVD à la pression atmosphérique en vue d'applications photovoltaïques

par Amélie Perraudeau

Thèse de doctorat en Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Sous la direction de Christelle Tixier et de Christophe Chazelas.

Le président du jury était Antoine Goullet.

Le jury était composé de Vincent Rat.

Les rapporteurs étaient Patrice Raynaud, Patrick Choquet.


  • Résumé

    Un système de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma doté d’une torche à injection axiale (TIA) a été choisi pour l’élaboration des films de TiO2. Un mode de dépôt dynamique, i.e. en déplaçant le substrat face au plasma, a été mis en place dans l’objectif de recouvrir des surface de l’ordre du centimètre carré. En vue d’utiliser les films de TiO2 en tant que couche active au sein de DSSCs, une structure mésoporeuse colonnaire et cristallisée sous forme anatase doit être idéalement obtenue. L’analyse du plasma, sans et avec le précurseur du titane, par spectroscopie d’émission optique a permis de mettre en évidence les flux de chaleur importants pouvant être transférés au substrat par le jet de plasma, avec des températures de gaz comprises entre 3000 et 4000 K, de 5 à 15 mm au-dessus de la buse. L’évaluation des densités relatives d’espèces atomiques et notamment de l’azote, de l’oxygène et du titane, combinée à l’étude de l’influence des conditions opératoires sur la microstructure du film a permis de mettre en évidence différents mode de croissance des couches de TiO2. Grâce à ces observations, un diagramme de microstructure de la couche de TiO2 déposée sur un substrat en silicium a été construit pour prédire plus facilement la morphologie et le caractère cristallin des films en fonction de la puissance microonde et de la distance torche-substrat. Dans certaines conditions, il est possible d’obtenir une structure correspondant au cahier des charges de la couche active des DSSCs. Le transfert de cette microstructure sur des substrats verre/FTO, faits pour l’application photovoltaïque, a nécessité une adaptation de la puissance micro-onde et de la distance torche-substrat de travail. La microstructure obtenue a permis de valider le diagramme de microstructure établi dans ces travaux, malgré l’obtention d’une couche ne correspondant pas au cahier des charges. Finalement, la fabrication de cellules solaires pérovskite a été initiée en exploitant le dépôt de TiO2 réalisé sur substrat en silicium.

  • Titre traduit

    TiO2 mesoporous thin films deposited by atmospheric pressure PECVD towards photovoltaic applications


  • Résumé

    An atmospheric pressure chemical vapor deposition process equipped with an axial injection torch was chosen for the TiO2 thin films synthesis. A dynamic deposition mode, i.e. moving the substrate holder in front of the plasma jet, was developed to cover a square centimeter surface. Towards the integration of the titania films as the active layer in DSSCs, a porous columnar structure crystallized under the anatase phase was required. The optical emission spectroscopy analysis of the discharge, without and with titanium precursor, provided information about the huge thermal flux transferred to the substrate by the plasma, thanks to gas temperature from 3000 to 4000 K, at distances between 5 and 15 mm from the nozzle. The atomic relative densities estimation, mainly of nitrogen, oxygen and titanium, combined with the process parameters influence on the film microstructure highlighted several growth mechanisms. From these results, a microstructure diagram was built to predict more easily the morphology and the crystallinity of the TiO2 films deposited on silicon substrates, as a function of microwave power and torch-substrate distance. Optimized conditions were found for the synthesis of thin films matching the DSSC active layer specifications. The process parameters were then adapted to replicate the microstructure on glass/FTO substrates, confirming the microstructure diagram, even though the thin film did not fulfill the requirements. Perovskite solar cells were finally made to investigate the interest of the layers developed on silicon substrates.


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