Elaboration et caractérisation de couches tampons hybrides originales pour les cellules photovoltaïques organiques

Study of the influence of injection-curing process parameters on the mechanical behaviour of elastomer injection moulded parts via a physico-chemical analysis of the network state

• Auteur / Autrice : Hind Lamkaouane
• Direction : Yamina Mir, Guy Louarn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 05/07/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université en cotutelle avec Université Hassan II (Casablanca, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Mohammed Addou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Louarn, Linda Cattin-Guenadez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : El Mustapha Feddi, Lahcen Khouchaf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Molybdène

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Couche tampon anodique

Couche tampon cathodique

Cellules photovoltaïques ternaires

Organic solar cells

Ternary solar cells

Molybdenum oxide

Molybdenum disulfide

Résumé

Ce travail porte sur l’élaboration de couches tampons hybrides pour des applications dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV) et l’amélioration des performances des cellules organiques via l’utilisation de la configuration ternaire. La première partie est dédiée à la synthèse de la couche tampon MoO3:MoS2 par voie humide : exfoliation/oxydation de MoS2. Nous avons développé une méthode originale de dépôt par centrifugation pour la croissance de ces couches hybrides. L’XPS est utilisée pour le contrôle de la composition chimique du MoS2 avant et après oxydation. Les résultats obtenus confirment la présence de trois composés : MoO3, MoS2 et MoOxSy. L’application de la couche hybride MoO3:MoS2 dans les cellules organiques binaires est une perspective de ce travail. Concernant, la couche tampon cathodique, une couche hybride KI/Alq3 élaborée par évaporation/ sublimation sous vide est introduite dans une cellule à hétérojunction planaire (PHJ) inverse à base de la couche active CuPc/C60. Alq3 est déjà connu par sa propriété de blocage des excitons à l’interface cathode/accepteur d’électrons, alors que l’insertion de KI d’une épaisseur de 1 nm et la diffusion de K dans l’Alq3 améliore de manière significative la collection des électrons ce qui augmente le rendement et la tension en circuit ouvert (Voc) de la cellule en comparaison avec la cellule référence.La deuxième partie concerne l’amélioration des cellules solaires organiques via l’insertion d’une couche ternaire comme couche centrale ( couche DA). Dans ce travail, différentes conceptions de cellules organiques photovoltaïques (OPV) ternaires sont étudiées afin d’améliorer l’absorption de la lumière de la couche active. A ce propos, de nombreuses petites molécules sont proposées pour étudier les alignements possibles de structure de bande d’énergie. L’effet de l’absorption, de la mobilité des porteurs de charges, de la morphologie des couches minces sur l’efficacité de ces molécules est discuté pour réaliser des cellules OPVs ternaires performantes.

This thesis work deals with the synthesis and elaboration of original hybrid buffer layers for application in organic photovoltaic cells and improvement of organic cell performances via the use of ternary configuration. The first part is dedicated to the synthesis of MoO3:MoS2 by wet route; exfoliation/ partial MoS2 oxidation where an original and efficient centrifugation-coating deposition method is adopted for the growth of hybrid and MoS2 layers. The XPS technique is used to control chemical composition of MoS2 before and after reaction. The obtained results confirm the presence of three compounds such as MoO3, MoS2 and MoOxSy. The application of the MoO3:MoS2 hybrid layer in organic binary cells is a perspective of this work. Concerning the cathode buffer layer, a hybrid KI/Alq3 elaborated by thermal evaporation/sublimation under vacuum is introduced in inverted planar heterojunction cell (PHJ) based on the active layer CuPc/C60. Alq3 is already known by its exciton blocking property at the cathode/acceptor interface, while the insertion of 1 nm of KI and diffusion of K into Alq3 significantly improves the electron collection which improved the cell Voc and efficiency compared to the reference cell.The second part concerns the study of organic solar cells improvement via the introduction of ternary layer as centrale layer ( DA layer). Different designs of ternary OPVs are investigated in order to improve the absorption of the active layer. In this regard, many small molecules have been proposed to study the possible alignments of energy band structure. Based on the experimental results, the effect of parameters such as absorption, charge carrier mobility, thin film morphology on the efficiency of these molecules is discussed to build an efficient ternary OPV cells.