Performance et durée de vie des architectures photovoltaïques organiques tandems

Performance and stability of tandem organic photovoltaic.

• Auteur / Autrice : Guillaume Schuchardt
• Direction : Gérard Perrier, Solenn Berson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Doctorat Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 24/01/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement - Laboratoire des Modules Photovoltaïques Organiques / CEA Liten/DTS/SMPV/LMPO
• Jury : Président / Présidente : Thomas Heiser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Perrier, Mathieu Baudrit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Jacques Simon, Denis Mencaraglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Photovoltaïque

Organique

Tandem

Polymère

Photovoltaic

Organic

Tandem

Polymer

Résumé

Le photovoltaïque organique est une technologie pleine de promesses tant ses avantages sont nombreux : flexibilité, légèreté, conformabilité, faible coût de fabrication, etc. Seulement, les rendements modérés et la durée de vie limitée des dispositifs ralentissent encore son déploiement. L’une des stratégies envisagée à l’augmentation des rendements est l’utilisation d’une architecture tandem qui consiste en la superposition de deux sous-cellules ayant des spectres d’absorption complémentaires. Seulement, aucune étude n’a été faite sur la stabilité de ces dispositifs dans le temps. Ce travail de thèse a donc pour objectif de concevoir des cellules tandems à haut rendement et d’étudier leur durée de vie sous une illumination AM1.5G 1000 W/m².Dans un premier temps, un travail d’optimisation en cellule simple a permis d’atteindre des rendements compris entre 2,7% et 5,6% en moyenne. Ces dispositifs ont été ensuite intégrés en cellule tandem avec l’appui d’un outil de simulation optique permettant d’atteindre des rendements proches des 7% et affichant un gain de 1% en moyenne par rapport aux meilleures dispositifs simple jonction.L’étude de la stabilité a été ensuite faite suivant une approche systémique des propriétés optiques (UV-Visible), optoélectroniques (EQE et J(V)) et électroniques (Spectroscopie d’impédance et SKP) des dispositifs simple et double jonction et des matériaux seuls. Les diminutions de performances observées sont liées à une dégradation principalement causées par les molécules acceptrices utilisées. Une amélioration de la durée de vie des sous-cellules en architecture tandems a également été observée probablement due à un effet filtre.Enfin, une première étude de la spectroscopie d’impédance appliquée aux cellules tandems est présentée ; technique permettant potentiellement de suivre l’évolution de chaque sous-cellule indépendamment dans le temps.Mots-clés : cellule solaire photovoltaïque organique tandem, simulation optique, vieillissement, spectroscopie d’impédance, dimérisation, dégradation, PC71BM.

Organic photovoltaics is a promising technology with many advantages: flexibility, lightness, conformability, and low manufacturing costs. The only limiting factors to its commercialization are the moderate efficiency and the limited lifetime of the devices. One strategy that can increase its efficiency is the use of a tandem architecture which consists of a stack of two subcells with complementary absorption spectra. However, no study has been done on the stability of these devices. The objective of this thesis is to design high-performance tandem cells and study their stability under illumination AM1.5 1000 W/m². As a first step, the optimization of single cells allowed us to achieve efficiencies from 2.7% to 5.6% on average. These devices were then combined to form a tandem cell with the support of an optical simulation tool. This resulted in efficiency close to 7% and a gain of 1% on average compared to the best simple junction devices. A stability study was then carried out using a systemic approach to the optical (UV-Visible), optoelectronic (EQE and J (V)) and electronic (Impedance Spectroscopy and SKP) properties of single and double junction devices and of the materials themselves. Decreases in performance were observed, which are related to a degradation mainly caused by the acceptor molecules. Any prolongation in the lifetime of sub-cells in tandem architecture can be explained by a filter effect. Finally, a preliminary study of impedance spectroscopy applied to tandem cells is presented. This technique would allow us to follow the degradation of each sub-cell independently directly in the tandem architecture.Keywords : organic tandem solar cell, optical simulation, ageing, impedance spectroscopy, dimerization, degradation, PC71BM.