Propriétés barrières de structures hybrides. Application à l'encapsulation des cellules solaires

Barrier properties of hybrid structures - Application to solar cells encapsulation

• Auteur / Autrice : Arnaud Morlier
• Direction : Nicole Albérola
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 18/10/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire des Matériaux Organiques à Propriétés Spécifiques
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Gardette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicole Albérola, Jean-luc Loubet, Stephane Cros, Lionel Flandin, Manuel Hidalgo, Luc Bousquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Leterrier, Clementine Prieur, Sa'ar Hersonsky

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux barrières multicouches

Perméation

Encapsulation

Cellules solaires organiques

Multilayer barrier materials

Gas permeability

Encapsulation

Organic solar cells

Résumé

Les matériaux utilisés pour diverses applications en électronique organique ou photovoltaïque denouvelle génération subissent des dégruvent être encapsulés à l’aide de matériaux barrière àl’oxygène et à l’eau. Pour l’encapsulation des cellules photovoltaïques organiadations sous les effets conjugués de l’eau et de l’oxygène. Afinde limiter cette dégradation, ces dispositifs peques, les perméabilités àl’eau (WVTR) et à l’oxygène (OTR) de l’encapsulant ne doivent pas excéder 10-3 g.m-2.j-1 et 10-3cm3.m-2.j-1 respectivement.L’objectif de ce travail de thèse est l’étude et l’élaboration par voie humide d’une structuremulticouche hybride organique/inorganique flexible, transparente et barrière aux gaz ainsi que lacompréhension des mécanismes permettant de limiter la diffusion des gaz au travers de cette structure.Dans un premier temps, le travail de thèse a été consacré à la réalisation d’une couche mince d’oxydede silicium sur substrat polymère à partir d’un précurseur inorganique : le perhydropolysilazane(PHPS). Différentes voies de conversion du précurseur ont été étudiées et comparées. Lesperméabilités à l’eau et à l’oxygène des meilleures couches déposées sur substrat polymère sont del’ordre de 0,1 g.m-2.j-1 et 0,1 cm3.m-2.j-1 respectivement. Ces valeurs sont comparables à cellesobtenues pour des dépôts réalisés par voie plasma.Des structures multicouches hybrides ont été réalisées en intercalant des couches de polymère entredes couches d’oxyde de silicium afin de décorréler les défauts des couches denses. Cela a permisd’atteindre des perméabilités inférieures ou égales à 10-2 g.m-2.j-1 à l’eau et de l’ordre de 10-3 cm3.m-2.j-1 à l’oxygène.Les performances au cours du temps sous irradiation de cellules solaires encapsulées ont étécomparées. L’encapsulation avec le meilleur matériau barrière développé confère une stabilitéremarquable aux cellules.Cette étude a ainsi permis de montrer les structures barrières élaborées par voie liquide constituent unealternative de choix pour l’encapsulation à grande échelle de cellules photovoltaïques.

Materials used in organic electronic devices or new generation photovoltaics undergo degradation byoxygen and water. In order to prevent their degradation, the devices should be encapsulated withmaterials showing a low permeability to oxygen and water vapor. For organic solar cellsencapsulation, material permeability to water (WVTR) and oxygen (OTR) should not exceed 10-3 g.m-2.d-1 and 10-3 cm3.m-2.d-1 respectively. The aim of this work is to study and develop a solutionprocessed,flexible, transparent and gas-barrier multilayer inorganic/organic hybrid structure, and tounderstand the mechanisms involved in diffusion limitation through these barriers.Firstly, this work has been dedicated to the realization on a polymer substrate of a thin silicon oxidelayer from an inorganic precursor: the perhydropolysilazane (PHPS). Different precursor conversionpaths have been studied and compared. The best barrier layers on polymer substrate have shownoxygen and water permeabilities of about 0,1 g.m-2.d-1 and 0,1 cm3.m-2.d-1 respectively. This result iscomparable to the permeability of plasma deposited layers.Multilayer hybrid structures have been realized by introducing a polymer layer between inorganiclayers in order to decorrelate the thin layer defects. This achieved permeabilities below 10-2 g.m-2.d-1for water and 10-3 cm3.m-2.d-1 for oxygen.The photovoltaic performances of encapsulated organic solar cells under illumination have beencompared over time. Encapsulation with the best barrier material developed during this work resultedin good device stability.This study has shown that entirely solution-processed barrier materials are a promising option for largescale organic solar cells encapsulation.