Développement et application de méthodes de caractérisation pour la compréhension de la stabilité de modules photovoltaïques organiques fabriqués au déroulé

Development and application of characterization methods applied to stability studies of organic photovoltaic modules manufactured by roll to roll

• Auteur / Autrice : Marc-Antoine Llobel
• Direction : Stéphane Cros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 02/04/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de l'énergie solaire (Le Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Yvan Bonnassieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johann Bouclé, Jean-Jacques Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Électroluminescence

Imagerie

Matériaux -- Détérioration

Durée de vie (ingénierie)

Mots clés libres

Durée de vie

Modélisation

Dégradations des dispositifs

Imagerie

Device degradation

Modeling

Lifetime study

Electroluminescence

Résumé

Afin de limiter son impact environnemental, un dispositif photovoltaïque doit être performant, durable dans le temps et fabriqué avec un procédé peu énergivore. Depuis 2 décennies les cellules photovoltaïques organiques ont vu leurs rendements se décupler (14 % atteint en 2018) les rendant de plus en plus compétitives avec les technologies dominant le marché.Les dispositifs organiques commerciaux sont généralement produits par impression réalisée à l’air ambiant et possèdent donc des coûts de fabrication relativement faibles. La durée de vie de ces systèmes variera selon les matériaux mis en jeux et selon l’environnement d’utilisation et reste un point faible de la technologie . Un nombre important de groupes présentent des études de durée de vie sur des dispositifs de petites surfaces et dont le procédé de fabrication n’est pas au stade industriel. Le travail présenté dans ce manuscrit a été mené en collaboration avec ARMOR et le CEA-INES et a pour but de présenter l’application de méthodes de caractérisations et d’analyses non destructives, permettant d’expliquer l’évolution sous illumination des modules photovoltaïques organiques (OPV) produits au déroulé sur ligne pilote. Nous présenterons le développement et l’utilisation de méthodes d’imagerie (électroluminescence, photoluminescence), de caractérisations I(V) sous illumination variable et de modélisation, permettant de comprendre les différences observées sur les performances après fabrication et après vieillissement. Un comparatif entre des cellules et des modules OPV sera également établi. Ce travail a ainsi permis de mettre en évidence les disparités existantes au sein de modules issus d’un même procédé de fabrication. De plus, certaines causes de dégradation de ces modules sous illumination ont été identifiées et des solutions sont proposées pour y remédier.

In order to limit its environmental impact, a photovoltaic device must be efficient, sustainable and manufactured with a process that consumes low energy. In the last two decades organic photovoltaic cells have seen their efficiency increase tenfold (14% reached in 2018) making them more and more competitive with market-leading technologies (Si, thin films).Commercial organic devices are generally produced by printing in ambient air and therefore have relatively low manufacturing costs. The lifespan of these systems will vary with the materials involved and the applied stress and remains a weak point of the technology . A large number of research groups present lifetime studies on small scale devices produced at lab-scale. This work was conducted in collaboration with ARMOR and CEA-INES and aims at presenting the application of non-destructive characterization and analysis methods, to explain the evolution under illumination of organic photovoltaic modules (OPV) produced by roll-to-roll on an industrial pilot line. We will present the development and use of imaging methods (electroluminescence, photoluminescence), variable illumination measurement and modeling to explain the differences in performances after manufacturing and after aging between cells and OPV modules. This work has thus made it possible to highlight the disparities existing within modules and cells resulting from the same manufacturing process. In addition, some of the causes of degradation of these modules under illumination have been identified and mitigation strategies have been proposed.