Développement de nanocomposites ZnO-FTO pour des couches minces conductrices transparentes

Development of ZnO-FTO nanocomposites for the use in transparent conductive thin films

• Auteur / Autrice : Christelle Habis
• Direction : Michel Aillerie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Bourson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Aillerie, Anne Kaminski-Cachopo, Maggy Dutreilh-Colas, Baptiste Colin, Carmen Jimenez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Kaminski-Cachopo, Maggy Dutreilh-Colas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Films transparents conducteurs

Matériaux hybrides

Nanostructures

Électrodes transparentes

Mots clés libres

Oxydes transparents conducteurs

Nanostructures et nanocomposites

Electrodes transparentes

Couches minces

Dispositifs à bas coût

Transparent conductive oxides

Nanostructures and nanocomposites

Transparent electrodes

Thin films

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de développement de couches d'oxyde transparentes avec des techniques à faible cout, basées sur des matériaux non polluants permettant de fonctionnaliser des dispositifs opérationnels efficace, donc à haut rendement pour la production d'énergies renouvelables. Notre choix s'est porté plus particulièrement sur l'étude des couches TCO à base d'étain et dopés au fluor, F :SnO2, dénommées FTO pour « Fluor Tin Oxydes ». Les FTO sont des oxydes à large bande interdite, à l'instar du ZnO, TiO2, Al2O3, purs ou dopés. Ces couches possèdent en principe un facteur de diffusion, défini précédemment, élevé afin d'améliorer le chemin optique et l'absorption. De plus, la texture optique des TCO peut être facilement contrôlée par dépôt de suspensions de nanostructures avant le dépôt de la couche. Généralement, ces nanostructures sont des nanoparticules voire nano-fils de carbone ou nano-fils métalliques (argent, cuivre, …) et plus récemment des nano-fils de TiO2 (présentant l'inconvénient de l'élément titane) ou de ZnO non-dopés qui diminuent, malheureusement la conductivité du fait de l'augmentation de la résistance d'interface avec la concentration des nanoparticules. C'est pourquoi, nous proposons l'étude de couches de FTO, pures et également en présence de nanofibres de ZnO et ZnO:Al par électrofilage à partir d'une solution à base de PVA afin d'avoir une couche nanostructuré ayant des propriétés de transparence et de conductivité électrique améliorées pour être intégrer comme électrodes transparentes dans les cellules photovoltaïques, répondant aux critères performatifs définis ci-dessus. Les croissances des couches seront suivies par des études morphologiques et structurales, en utilisant des techniques de caractérisations disponibles au sein du laboratoire LMOPS et de l'Université de Lorraine ( tel que: MEB, Raman, EDX, DRX, spectroscopie UV-vis, ATG, AFM, profilomètre). Enfin, les propriétés électriques et optiques, en particulier l'absorption et le facteur de Haze, seront aussi largement investies sur les couches sélectionnées présentant les meilleures propriétés structurales et morphologique.

My thesis work entitled “Development of ZnO-FTO nanocomposites for the use in transparent conductive thin films” is supervised by Professor Michel Aillerie at University of Lorraine. This work was mainly made at the “Laboratoire des Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes” LMOPS in Centrale Supélec, Metz. Although this work forms a whole in the elaboration of transparent conductive oxides, it is divided into two parts. The first part consists on identifying the properties of bulk materials (ZnO and FTO) deposited in the form of thin film. Whereas, the second part is about the elaboration and characterization of Zinc Oxide (ZnO) and Aluminum doped Zinc Oxide (AZO) nanofibers, then associated to FTO thin films to form nanocomposite. The main objective of this work is to make flexible electrodes using low cost and abundant material, but also improving the optical properties and more specifically the haze factor of the nanocomposite layers.Transparent conductive oxides (TCOs) are technologically significant class of materials extensively used in thin film solar cells due to their ability to transmit light and collect charge carriers. In addition to the fundamental qualities of transparency and conductivity, the TCOs are frequently desired to have a certain degree of surface roughness (i.e., texture) in order to effectively scatter transmitted light into the active materials, therefore lengthen the optical path and, as a result, enhance the performance of the cell and light absorption. This thesis focuses on the development of low-cost fabrication techniques for transparent oxide layers using non-polluting materials to enable the functionalization of operational devices with high efficiency for renewable energy production. The choice was made to study tin-based TCO layers doped with fluorine, F:SnO2, known as FTOs for ''Fluor Tin Oxides''. FTOs are wide band gap oxides, like ZnO, TiO2, Al2O3, pure or doped. In principle, these layers have a high scattering factor, as defined above, in order to improve the optical path and absorption. In addition, the optical texture of TCOs can be easily controlled by depositing suspensions of nanostructures before the film deposition. Generally, these nanostructures are nanoparticles or even carbon nanowires or metallic nanowires (silver, copper, ...) and more recently nanowires of TiO2 (presenting the disadvantage of the titanium element) or of undoped ZnO which unfortunately decrease the conductivity due to the increase of the interface resistance with the concentration of the nanoparticles.Therefore, we propose the study of FTO thin films, pure and also in the presence of ZnO and AZO nanofibers by electrospinning from a PVA-based solution in order to have a nanostructured layer with improved transparency and electrical conductivity properties to be integrated as transparent electrodes in photovoltaic cells, meeting the performance criteria defined above. With the characterization techniques available in the LMOPS laboratory and the University of Lorraine (SEM, Raman, EDX, DRX, UV-vis Spectro, ATG, AFM, profilometer) the growth will be followed by morphological and structural studies of the layers. Finally, electrical and optical properties, in particular absorption and scattering factor, will also be extensively investigated on selected layers with the best structural and morphological properties and the minimum of interface defects when deposited on a PV structure.