Optimisation de couches d'oxyde nano-structurées pour applications aux cellules solaires à colorant

Les cellules solaires à colorant (DSC) sont issues de la troisième génération de cellules solaires. Ces systèmes peu onéreux présentent néanmoins des rendements (11-12 %) qui restent à améliorer. De plus les meilleures DSC sont constituées notamment de TiO2 dont la préparation à haute température est un des freins à de nombreuses applications. Le ZnO, synthétisable à basse température et sous de nombreuses morphologies semble être une alternative au TiO2 dans les DSC. L étude présentée ici a pour but d augmenter les performances des cellules en optimisant le transport des électrons dans les DSC et en maximisant la récolte de lumière. Pour mieux comprendre la dynamique de transport des électrons dans les DSC, l influence de la structure des films sur les propriétés de conduction des électrons et sur les performances des cellules a d abord été étudiée. Cette étude a été menée sur les DSC à base de TiO2 puis de ZnO. Parmi les nombreuses voies de synthèse du ZnO, l électrodépôt de ZnO en présence d agent structurant a permis l obtention de DSC où le transport des électrons était optimisé. La sensibilisation du colorant à la surface du ZnO s est ensuite révélée être une étape clef dans la préparation des DSC. Son influence sur la quantité de lumière collectée, le taux de recombinaison des électrons, les performances et la durabilité des cellules a été étudiée. De nouvelles voies de confinement de la lumière dans les cellules par rétrodiffusion ont également été recherchées. Finalement, les facteurs limitant les performances des cellules ZnO sont discutés et de nouvelles stratégies d amélioration sont proposéesDye-sensitized solar cells are part of the third generation of solar cells. Although these systems are rather cheap, their efficiencies (11-12 %) must be improved. Best cells are based on TiO2. Unfortunately, TiO2 preparation requires high temperature sintering which makes DSC unusable for several applications. ZnO which can be prepared at low temperature and with various different morphologies appears to be an interesting alternative material to TiO2. Here are presented results on the optimization of ZnO based DSC. Two strategies of improvement were investigated: optimizing the transport of electrons in the cells and maximizing the light harvesting. First, the influence of the structure of the semi-conductor films (TiO2 and ZnO) on the conduction properties of electrons and the performances of the cells was studied. Electrodeposited ZnO gave the best efficiency of all ZnO based DSC tested thanks to an efficient charge collection at the back contact of the photoelectrode. Then the sensitization step of ZnO happened to be a key parameter in the preparation of the cells. The sensitization influence on the light harvesting, the recombination rate in the cells, and the durability of the device was studied. Finally, new means of light trapping in the cells were tested. Three scattering layer deposition techniques are presented: the sol-gel depositon of scattering particulate films, ZnO platelets electrodeposition and particle occlusion during ZnO electrodeposition. Finally, the efficiency limitations in ZnO-DSC and breakthrough strategies to improve the performances are discussedPARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

Optimisation des cellules solaires à colorants à base de ZnO par une approche combinée théorie/expérience

Cette dernière décennie a montré que les cellules solaires à colorants étaient une technologie photovoltaïque économiquement viable. Malgré les nombreuses études réalisées dans ce domaine, force est de constater que les rendements de photoconversion n ont toujours pas dépassé 12% avec ce type de cellule. Les travaux réalisés au cours de cette thèse s inscrivent dans une optique d optimisation des cellules solaires à colorants. Pour y parvenir, une approche joignant la théorie et l expérience a été développée. Par des calculs basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), une nouvelle famille de colorants, caractérisée par la présence d un groupement pyridinium, a été étudiée afin d en choisir les membres les plus aptes à générer un photocourant. En combinant une approche moléculaire et périodique, les calculs ont permis de comprendre différents mécanismes intervenant dans le fonctionnement de la cellule solaire conduisant à une optimisation théorique de certains constituants de la cellule comme la composition de l électrolyte ou le colorant. Parallèlement aux calculs, une méthodologie de construction et de caractérisation des cellules basée sur l utilisation de ZnO comme semiconducteur a été mise en place au sein du laboratoire. La synthèse de ces nouveaux colorants a aussi été réalisée au cours de ce travail de doctorat. La conception et la caractérisation expérimentales de cellules utilisant ces colorants a permis de valider le protocole théorique développé ouvrant la voie à une optimisation ab initio des cellules solaires à colorantsPARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

Synthèse et optimisation de couches d'oxyde de zinc nanostructurées pour une utilisation en cellule solaire à colorant

Ce mémoire présente les recherches que nous avons menées sur les cellules solaires à colorant (DSSC ou Dye-Sensitized Solar Cell) à base d oxyde de Zinc. Celles-ci ont suivi deux directions. D une part, une méthode de préparation rapide de couches de semi-conducteur a été mise au point. Cela nous a tout d abord permis de mettre au point notre méthode de préparation et de caractérisation des DSSC. Nous nous en sommes ensuite servi pour faire des études systématiques afin d optimiser certains paramètres de fabrication des cellules solaires. Le second axe de recherche a consisté en la synthèse par électrodépôt de couches de semi-conducteur adaptées aux besoins des DSSC. Les principaux critères recherchés sont une haute surface spécifique et une bonne conduction de l électron au sein de la couche. Nos études se sont alors tournées vers la préparation de structures hiérarchiques à base de nanofils de ZnO. Sans utiliser le moindre agent structurant au cours du dépôt, nous avons obtenu des morphologies à deux échelles, utilisant une seconde phase nanocristalline. D autres structures hiérarchiques sont également proposées, à base, entre autres, de nanofils organisés en réseau tridimensionnel oursins .The following thesis describes the research we have undertaken on zinc oxide-based Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC). This work followed two directions. First, we have developed a quick preparation process for semi-conductor layers. This let us set up our DSSC preparation and characterization processes. We then used these methods to undertake systematic studies in order to optimize some parameters of the solar cell preparation. Second, we have researched the electrodeposition synthesis of semi-conductor layers tailored to the needs of DSSCs. The main criteria to look for are a high specific surface area and a good electron conduction inside the layer. We then turned to the preparation of hierarchical structures based on ZnO nanowires. Without using any structure directing agent during the deposition, we have obtained morphologies on two scales, with a second nanocristalline phase. Other hierarchical structures are also described. Among them, some are based on nanowires organized in tri-dimensional urchin networksPARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

Low temperature electrodeposition of silicon layers

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AgBi2I7 layers with controlled surface morphology for solar cells with improved charge collection

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Impact of Organic Hole Transporting Material and Doping on the Electrical Response of Perovskite Solar Cells

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UV nanophotodetectors: A case study of individual Au-modified ZnO nanowires

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Effects of ZnO film growth route and nanostructure on electron transport and recombination in dye-sensitized solar cells

The photovoltaic performances of ZnO-based dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been studied for ZnO porous films prepared by different techniques. A comparison is made between nanoparticle (NP) films prepared by a sol-gel method and two different electrodeposited (ED) nanoporous films. The D149 indoline dye/ZnO with ZnO prepared by electrochemistry at rather high overvoltage has been found to be the best system. The cell functioning has been studied in-depth by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements made over a large potential range, in the dark and under illumination. It is shown that a much deeper sub-conduction band edge density of states (DOS) exists in the case of NP cells compared to ED cells. The electron dynamics have been analysed by determining the charge carrier lifetimes and transport/collection times. In the case of NP films, the charge carrier behaviour is characterized by rather long lifetimes and transport times with a marked voltage response typical of conduction that is governed by trapping-detrapping events. On the contrary, in the case of electrodeposited films, these two parameters are much shorter and the transport is characterized by a straight charge transport. Using photoluminescence data, the charge carrier lifetimes have been related to the surface defects of the ZnO nanostructures. The deduced electron collections were found to be very efficient with values greater than 90%. We have also determined that the ZnO film conductivities were higher than for anatase TiO2, and that the electron diffusion coefficient was higher in the ED film compared to the NP film

Molecular versus polymeric hole transporting materials for perovskite solar cell application

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