Nanostructures plasmoniques de type coeur-coquille métal-diélectrique pour cellules photovoltaïques organiques

par Kokou Kekeli David N'Konou

Thèse de doctorat en Mécanique, physique, micro et nanoélectronique. Micro et nanoélectronique

Sous la direction de Philippe Torchio.

Le président du jury était Kossi Napo.

Le jury était composé de Jean-Christian Bernède, Olivier Margeat.

Les rapporteurs étaient Marie-Paule Besland, Thomas Heiser.


  • Résumé

    L'une des approches pour améliorer les performances des cellules solaires organiques, sans augmenter l'épaisseur de la couche photoactive, consiste à incorporer des nanoparticules (NPs) métalliques dans cette couche ou à proximité pour bénéficier de la diffusion de la lumière incidente ou de résonances de plasmons de surface localisés. Cependant, ces NPs métalliques peuvent engendrer des recombinaisons des porteurs de charges électriques, créer des court-circuits ou favoriser l'extinction des excitons au contact du métal. Une solution est alors de protéger ces NPs métalliques par un revêtement diélectrique (coquille ou couche fine). L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de nanostructures de type cœur–coquille (métal-diélectrique) sur les performances optiques et photoélectriques de cellules solaires organiques, à l'aide de modélisations numériques et de réalisations expérimentales. Dans un premier temps, une étude numérique prédictive, basée sur une modélisation par méthode FDTD, nous a permis d'analyser l'influence de paramètres architecturaux et opto-géométriques sur les propriétés optiques de cellules solaires plasmoniques. Par la suite, nous avons synthétisé et caractérisé des nanosphères (NSs) avec un cœur métallique en argent ou en or recouverts d'une fine coquille de silice. L'incorporation de NSs Ag@SiO2 synthétisées (voie humide) ou de NPs Ag/SiO2 déposées par évaporation (voie sèche) dans des cellules solaires à architecture inverse ont permis d'augmenter le photocourant de 12% ou de 18% respectivement par rapport à la cellule de référence (sans NSs).

  • Titre traduit

    Core-shell metal-dielectric plasmonic nanostructures for organic photovoltaic cells


  • Résumé

    One of the approaches to improve the organic solar cells performance without increasing the thickness of the photoactive layer is to incorporate metallic nanoparticles (NPs) in this layer or in its proximity to have benefited from light scattering or localized surface plasmon resonance effects. However, these NPs can generate charge carriers recombination, short circuits or exciton quenching due to the contact with the metal. A solution is then to coat these MNPs with a dielectric (thin shell or layer) to protect them. The objective of this thesis is to study the influence of metal­dielectric core­shell nanostructures on the optical and photoelectric performances of organic solar cells, by using numerical modeling and experiments. First, a predictive numerical analysis by FDTD modeling allowed us to optimize the influence of architectural and optogeometric parameters on optical properties of plasmonic organic solar cells. Silver or gold core nanospheres (NSs) coated with a thin silica shell were synthesized and characterized. Finally, the integration of chemically synthesized Ag@SiO 2 NSs (wet process) or Ag/SiO 2 NPs deposited by evaporation (dry process) in inverted organic solar cells has increased the photocurrent by 12% or 18%, respectively, compared to the reference cell(without NSs).


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