Hybrid solar cells based on thin-film silicon and P3HT

International audienceHybrid concepts based on a nanoscale combination of organic and inorganic semiconductors are a promising way to enhance the cost efficiency of solar cells through a better use of the solar spectrum, a higher aspect ratio of the interface, and the good processability of polymers. A new type of solar cells has been investigated. It is based on a heterojunction between regio-regular poly(3-hexylthiophene) as an organic electron donor and silicon as an inorganic electron acceptor. In a first step towards nanostructured devices, cells made of flat thin films of these materials have been studied as a model case of the heterojunction. The materials were characterized through ellipsometry and absorption spectroscopy. The devices were studied by means of their spectral response and their I-V characteristics. By combining these results, the contribution of each layer and the mechanisms of photocurrent generation are explained. The best cells to-date show a power conversion efficiency of 1.6% under AM 1.5 illumination, with a Voc of 0.704 V and a Jsc of 4.22 mA/cm2

CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES DÉRIVÉES DE NOUVEAUX SYSTÈMES CONJUGUÉS

Photovoltaic cells based on organic semi-conductors are a focus of increasing research effortmotivated by the possibility to realize large area, light-weight and low-cost flexible solar cells takingadvantage of the processability of organic materials. Besides environmental constraints and thepredictable exhausting of fossil energy resources, the strong renewal of interest for organic PVconversion has been boosted by the large improvement of the conversion efficiency of organic solarcells accomplished in recent years.The first part of this work consisted in elaborating a reliable experimental protocol allowing theevaluation of new organic semiconducting materials donors and acceptors intended for the realizationof solar cells of type heterojunction.. The realization of cells based on copper phthalocyanin (CuPc)and of C60, besides already described in the literature, allowed us to validate a set of protocols ofelaboration and characterization of the cells.These procedures were then applied to the evaluation of a series of acceptors derived ofperylene in cells containing the CuPc as the donor. This second stage allowed us to select twocompounds as model acceptors whom we used for the suite of this work.The third and last part of this work concerned the realization of heterojunctions base on newhybrid conjugated oligomeres derived of three basic structures: terthiophene, quaterthiophene, andquinquethiophene. We've first tried to establish correlations between the chemical structure of thedonors and some of the electric characteristics of the cells. Finally, the experiences of this systematicstudy contributed to the conception and to the synthesis of new star shaped oligothiophenes acting asdonor, by means of whom we were able to realize solar cells which appear among the most effectiveobtained until now from oligo- and from polythiophenes.Les cellules photovoltaïques (PV) basées sur les semi-conducteurs organiques font l'objet derecherches motivées par la possibilité de réaliser des cellules solaires de grand surface, flexibles,légères et bon marché, en profitant de la grande processabilité des matériaux organiques. Face auxcontraintes environnementales et à l'épuisement des ressources d'énergie fossile, le fort regaind'intérêt pour la conversion PV organique est en grande partie due à la formidable amélioration del'efficacité de conversion de cellules solaires organiques accomplies ces dix dernières années.Dans une première partie de ce travail, nous avons élaboré un protocole expérimental fiablepermettant l'évaluation de nouveaux matériaux semi-conducteurs organiques donneurs et accepteursen cellules solaires de type hétérojonction. La réalisation de cellules à base de phthalocyanine decuivre (CuPc) et de C60, par ailleurs déjà décrites dans la littérature, nous a permis de valider unensemble de protocoles d'élaboration et de caractérisation des cellules.Ces procédures ont été ensuite appliquées à l'évaluation d'une série d'accepteurs dérivés dupérylène dans des cellules comportant la CuPc comme donneur. Cette seconde étape nous a ainsipermis de sélectionner deux composés accepteurs modèles que nous avons utilisés pour la suite dece travail.La troisième et dernière partie de ce travail a porté sur la réalisation d'hétérojonctions à basede nouveaux oligomères conjugués hybrides dérivés de trois structures de base : terthiophène,quaterthiophène et quinquethiophène.Tout d'abord, nous avons cherché à établir de premièrescorrélations entre la structure chimique des donneurs et certaines des caractéristiques électriques descellules. Enfin, les acquis de cette étude systématique ont contribué à la conception et à la synthèsede nouveaux donneurs issus d'oligothiophènes à structure ramifiée à l‘aide desquels nous avons puréaliser des cellules de type hétérojonction qui figurent parmi les plus efficaces obtenues jusqu'àprésent à partir d'oligo- et de polythiophènes

Cellules photovoltaïques organiques dérivées de nouveaux systèmes conjugués

Les cellules photovoltaïques (PV) basées sur les semi-conducteurs organiques font l'objet de recherches motivées par la possibilité de réaliser des cellules solaires de grande surface, flexibles, légères et bon marché, en profitant de la grande processabilité des matériaux organiques. Face aux contraintes environnementales et à l'épuisement des ressources d'énergie fossile, le fort regain d'intérêt pour la conversion PV organique est en grande partie dûe à la formidable amélioration de l'efficacité de conversion de cellules solaires organiques accomplie ces dix dernières années. Dans une première partie de ce travail, nous avons élaboré un protocole expérimental fiable permettant l'évaluation de nouveaux matériaux semi-conducteurs organiques donneurs et accepteurs en cellules solaires de type hétérojonction. La réalisation de cellules à base de phthalocyanine de cuivre (CuPc) et de C60, par ailleurs déjà décrites dans la littérature, nous a permis de valider un ensemble de protocoles d'élaboration et de caractérisation des cellules. Ces procédures ont été ensuite appliquées à l'évaluation d'une série d'accepteurs dérivés du pérylène dans des cellules comportant la CuPc comme donneur. Cette seconde étape nous a ainsi permis de sélectionner deux composés accepteurs modèles que nous avons utilisés pour la suite de ce travail. La troisième et dernière partie de ce travail a porté sur la réalisation d'hétérojonctions à base de nouveaux oligomères conjugués hybrides dérivés de trois structures de base : terthiophène, quaterthiophène et quinquethiophène. Tout d'abord, nous avons cherché à établir de premières corrélations entre la structure chimique des donneurs et certaines des caractéristiques électriques des cellules. Enfin, les acquis de cette étude systématique ont contribué à la conception et à la synthèse de nouveaux donneurs issus d'oligothiophènes à structure ramifiée à l'aide desquels nous avons pu réaliser des cellules de type hétérojonction qui figurent parmi les plus efficaces obtenues jusqu'à présent à partir d'oligo- et de polythiophènes.Photovoltaic cells based on organic semi-conductors are a focus of increasing research effort motivated by the possibility to realize larfe area, light-weight and low-cost flexible solar cells taking advantage of the processability of organic materials. Besides environmental constraints and the predictable exhausting of fossil energy resources, the strong renewal of interest for organic PV conversion has been boosted by the large improvement of the conversion efficiency of organic solar cells accomplished in recent years. The first part of this work consisted in elaborating a reliable experimental protocol allowing the evaluation of new organic semiconducting materials donors and acceptors intended for the realization of solar cells of type heterojunction. The realization of cells based on copper phthalocyanin (CuPc) and of C60, besides already described in the literature, allowed us to validate a set of protocols of elaboration and characterization of the cells. These procedures were then applied to the evaluation of a series of acceptors derived of perylene in cells containing the CuPc as the donor. This second stage allowed us to select two compounds as model acceptors whom we used for the suite of this work. The third and last part of this work concerned the realization of heterojunctions base on new hybrid conjugated oligomeres derived of three basic structures : terthiophene, quaterthiophene and quinquethiophene. We've first tried to establish correlations between the chemical structure of the donors and some of the electric characteristics of the cells. Finally, the experiences of this systematic study contributed to the conception and to the synthesis of new star shaped oligothiophenes acting as donor, by means of whom we were able to realize solar cells which appear among the most effective obtained until now from oligo- and from polythiophenes.ANGERS-BU Lettres et Sciences (490072106) / SudocSudocFranceF

SnS thin films realized from colloidal nanocrystal inks

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Fabrication of multiscale electrodes on organic photovoltaic thin films and in situ electrical characterization by nanostencil combined with Qplus AFM

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Synthesis and characterization of fullerene based systems for photovoltaic applications: Evidence for percolation threshold

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