Dépôt par voie liquide de couches interfaciales pour cellules photovoltaïques organiques

Solution-processed interlayers for organic photovoltaic cells

• Auteur / Autrice : Frédéric Guillain
• Direction : Laurence Vignau, Guillaume Wantz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 07/11/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Odobel, Philippe Poulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Lucas, Jörg Ackermann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits à transfert de charge (électronique)

Conversion photovoltaïque

Cellules photoélectriques

Mots clés libres

Photovoltaïque organique

Interfaces

Couches minces

Dépôt par voie liquide

Organic photovoltaic

Interface

Thin film

Solution-processing

Résumé

L’industrialisation des cellules photovoltaïques organiques implique le développement de plusieurs aspects. Une augmentation des rendements de conversion, une amélioration de la stabilité et la mise au point de procédés de dépôt en ligne. Ce dernier point va passer par le développement de dépôt par voie liquide des différentes couches composant les dispositifs. Dans ma thèse je vais m’intéresser à un type de couche, les couches de transport de charges. Ces couches sont disposées entre la couche photo-active et les électrodes afin d’améliorer l’extraction des charges générées au sein de la première vers ces dernières. Je vais focaliser mon étude sur les couches de transport de trous. Afin de remplacer le matériau couramment utilisé (PEDOT:PSS), on utilise souvent les oxydes de métaux de transition.Ces matériaux habituellement évaporés, sont déposables en voie liquide à partir de suspensions de nanoparticules, ou de précurseurs (ex: sol-gel). J’ai développé 3 approches au cours de ma thèse. Dans la première, un dépôt par voie sol-gel d’oxyde de tungstène ou de vanadium a permis d’obtenir des rendements similaires à ce qui est obtenu avec les mêmes matériaux évaporés. Dans la deuxième approche un dépôt d’oxyde de cobalt (II, III),m’a permis d’améliorer l’extraction des charges. Néanmoins le matériau présente des difficultés de mise en forme ne permettant pas d’atteindre des rendements à l’état de l’art.Finalement une approche plus originale a été développée, une diffusion induite thermiquement d’un dopant, déposé par voie liquide à l’interface organique/métal m’a permis d’obtenir des rendements similaires à ce qui est obtenu avec des structures classiques.

In order to allow the industrialisation of organic photovoltaic cells, power conversion efficiency must be increased, stability must be improved, and in-line deposition processing (solution processing of each layer) must be developed. This work presents the development of solution-processed interlayers, layers inserted between the photoactive organic layer and electrodes in order to enhance charge extraction. This study is focused on the hole transport layer and, in particular, the replacement of the commonly used material PEDOT:PSS. A frequent approach to achieve this is the use of transition metal oxide layers such as MoO3 orV2O5. These oxides are usually deposited by evaporation but can be solution-processed from precursor solutions (e.g. sol-gel) or nanoparticle suspensions. This work considers three approaches. In the first, the use of sol-gel deposited tungsten or vanadium oxide led to an enhancement of hole extraction, allowing efficiencies in the range of what is expected for state of the art materials to be reached. The second approach involved the use of solution processed cobalt oxide. Although the use of this material enhanced charge extraction, due to a deposition issue, efficiency did not reach expected value. Finally, thermally induced diffusion of a solution-processed dopant was utilised, which is a novel approach. The dopant deposited at the organic/metal interface enhances hole extraction and leads to power conversion efficiencies similar to reference cells incorporating an evaporated metal oxide interlayer.