Réalisation de cellules solaires nanostructurées à base de nanofils de ZnO. Matériaux et propriétés PDF Download

Author: Sylvia Sanchez
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Les cellules solaires nanostructurées ont été développées pour réduire le coût du photovoltaïque et le rendre compétitif aux autres sources d'énergies. Dans ce but deux cellules solaires ont été étudié durant la thèse: la cellule « eta » (Extremely Thin Absorber) et la cellule hybride à polymères. Dans un premier temps, des couches 2D et nanofils de ZnO ont été réalisés par voie électrochimique sur des substrats verre/TCO (oxyde transparent et conducteur). Il est montré que la température du bain, la densité de charge et la concentration de l'électrolyte support (KCl) infleuncent la morphologie, composition, cristallisation et propriétés optiques des couches. Les films déposés à 0,1 M KCl et à T ≥ 50°C, présente de bonnes propriétés physico-chimiques. La couche 2D est ensuite utilisée pour la croissance des nanofils de ZnO et leurs dimensions sont ajustées avec la moprhologie et l'épaisseur de cette couche. L'électrolyte support et la densité de charge permettent également de contrôler les dimensions des nanofils. Dans un deuxième temps, les nanofils de ZnO ont été photo-sensibilisés par deux types d'absorbeurs : CuInS2 (CIS) et Cu2ZnSnS4 (CZTS). Ils ont été réalisés par différentes méthodes : SILAR (Successive Ion Layer Adsorption and Reaction), électrodépôt et dépôt de nanoparticules pré-synthétisées (pour CIS). Les films préparés par voie SILAR sont très uniformes autour des nanofils. Tandis que ceux réalisés par électrodépôt sont moins homogènes mais de très bonnes qualités cristallines. Grâce à la fonctionnalisation des nanofils, une couche de nanoparticules de CuInS2 très uniforme est déposée. Les cellules « eta » réalisées avec ces structures cœur/coquille montrent un effet photovoltaïque. Les films de ZnO électrodéposés ont été intégrés dans des cellules solaires hybrides à polymères sur substrats verres et plastiques. Ces cellules ont montré de bons rendements et une haute stabilité.

Author: Claire Verrier
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L'oxyde de zinc est un semiconducteur pressenti pour une large variété d'applications optoélectroniques, biologiques ou encore détecteurs de gaz. En effet, en plus d'être un matériau abondant, il possède plusieurs propriétés remarquables comme sa large bande interdite de 3,33 eV, sa grande mobilité électronique de 200 cm2/(V.s) mais également sa capacité à croitre sous plusieurs formes nanométriques par des techniques de dépôt bas coût et facilement adaptables au milieu industriel. Les nanofils de ZnO élaborés par la technique de dépôt en bain chimique seront utilisés dans cette thèse pour leur intégration dans des cellules solaires de 3ème génération. Dans ces cellules, la morphologie des nanofils ainsi que leur dopage est primordial pour obtenir des rendements intéressants. Ce dernier aspect en particulier n'a cependant pas été étudié en détails dans la littérature concernant le dépôt en bain chimique. Ce travail présente donc une façon innovante de contrôler simultanément la morphologie et le dopage des nanofils par cette technique de dépôt. Un mécanisme de croissance et de dopage a été déterminé grâce à des simulations thermodynamiques, des mesures de pH in-situ et plusieurs méthodes de caractérisation telles que la microscopie électronique à balayage et à transmission, la diffraction des rayons X, la spectroscopie Raman en température et la microscopie à force atomique en mode électrique. Les nanofils de ZnO réalisés sont ensuite intégrés dans des cellules solaires à colorant pour étudier l'intérêt de l'optimisation des nanofils sur les performances des cellules solaires. Finalement, ces nanofils de ZnO combinés à une électrode en nanofils d'argent peuvent être intégrés sur substrat flexible pour réaliser une cellule à colorant plus légère et maniable et donc visant davantage d'applications.

Author: Germain Rey
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Les nanostructures d'oxydes métalliques jouent un rôle essentiel dans les cellules photovoltaïques à colorants, puisque ces matériaux permettent la réalisation du contact électrique transparent en face avant et de la photoanode. L'oxyde stannique (SnO2) et l'oxyde de zinc (ZnO) ont été employés respectivement, car leurs propriétés optiques, électroniques et structurales sont particulièrement bien adaptées aux cellules solaires à colorant. Le contact électrique transparent, obtenu par pyrolyse d'aérosol, se présente sous forme d'une couche mince de SnO2 dopé par du fluor composée de grains nanométriques. Les propriétés électriques et optiques de ce composant ont été optimisées en vue de son intégration dans des cellules à colorants. Une étude approfondie du transport électronique au sein de la couche a permis de quantifier l'influence des différents mécanismes de diffusion suivant les cas considérés. La photoanode a été réalisée, directement à la surface de la couche mince de SnO2, par dépôt chimique de nanofils de ZnO à partir de précurseurs en phase vapeur. Le diamètre et la densité surfacique des nanofils sont contrôlés respectivement par les conditions de croissance et le degré d'oxydation du substrat. Les photoanodes à base de nanofils ont été intégrées dans des cellules à colorant. La limitation des performances de ces cellules est due à la faible surface développée par le ZnO qui conduit à la fixation d'une trop faible quantité de colorant à la surface de ce dernier. Afin de remédier à ce problème, des nanoparticules de ZnO ont été élaborées par bain chimique à la surface des nanofils. Les cellules solaires à base de structures composites présentent des performances supérieures à celles réalisées à partir de nanofils ou de nanoparticules. Les photoanodes composites permettent d'obtenir à la fois un transport efficace des électrons et de développer une surface importante et de ce fait, elles présentent des performances prometteuses.

Author: Victoire-Marie Guérin
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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».

Author: Romain Parize
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L'énergie solaire représente un énorme potentiel pour la production d'électricité. Les recherches dans ce domaine se sont donc accélérées au cours des dernières années; en particulier le développement de matériaux semiconducteurs non-toxiques pouvant être élaborés par une technique bas côut et facile de mise en oeuvre telle que les croissances en chimie liquide. C'est dans ce contexte que l'oxyde de zinc (ZnO) prend une place de plus en plus importante au sein des laboratoires de recherche.Cette thèse a été effectuée dans plusieurs buts. Le premier était d'améliorer notre compréhension des mécanismes mis jeu lors de la croissance de nanofils de ZnO par dépôt en bain chimique, et notamment le rôle des précurseurs chimiques introduits dans le bain. Par la suite, des études morphologiques et du recuit de cristallisation de couches minces de TiO2 et de Sb2S3 déposées sous forme de coquilles sur les nanofils de ZnO par ALD, SILAR et pyrolyse d'aérosol se sont révélées primordiales pour l'élaboration de cellules solaires composées d'hétérostructures à base de nanofils de ZnO/TiO2/SB2S3. Dans ce type de cellule le ZnO joue le rôle de conducteur d'électrons alors que le TiO2 passive les états de surface des nanofils de ZnO et les protège. Le Sb2S3, quant à lui,absorbe les photons du spectre solaire et produit des excitons pour la création de courant.Ces hétérostructures sont élaborées pour la toute première fois et n'ont jamais été rapportées dans la littérature. Un rendement de photoconversion de 2,3% a été déterminé. Cette valeur est encourageante pour la suite des études et représente le premier rendement efficace pour ce type d'hétérostructures très prometteuses.

Author: Marwen Abdelli
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La recherche dans le domaine du photovoltaïque connait une évolution importante grâce au développement de nouveau matériaux/concepts. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé de réaliser des cellules solaires à architecture proche la structure interpénétrée idéale combinant un réseau de nanofils de ZnO synthétisés « sur mesure » et une couche active organique à base d'une hétérojonction D/A en volume. La compréhension des mécanismes de croissance des nanofils de ZnO et la maitrise de la synthèse ont abouti à un protocole expérimentale optimal permettant une fabrication reproductible de substrats ITO/nano-fils de ZnO avec des morphologies maitrisées (L ≈ 200 nm et D ≈ 30 nm) proches des distances et tailes critiques nécessaires pour l'élaboration des cellules solaires. Après la phase d'optimisation de l'assemblage des cellules solaire et leurs caractérisations, une densité de courant 22 mA/cm2 (2 fois meilleure que la cellule 2D) a été obtenue a été obtenu avec une architecture à base de nanofils de ZnO conduisant un rendement photovoltaïque de 7.7 % (1.4 fois meilleur que la cellule 2D) validant ainsi l'efficacité du concept de la nano-texturation des substrats, les caractéristiques morphologiques choisies de la nano-texture, la méthode d'assemblage des cellules et l'ensemble des matériaux utilisés.

Author: Thomas Cossuet
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Le développement d'architectures nanostructurées originales composées de matériaux abondants et non-toxiques fait l'objet d'un fort intérêt de la communauté scientifique pour la fabrication de dispositifs fonctionnels efficaces et à bas coût suivant des méthodes d'élaborations faciles à mettre en œuvre. Les réseaux de nanofils de ZnO élaborés par dépôt en bain chimique sont, à ce titre, extrêmement prometteurs. L'étude des propriétés de ces réseaux de nanofils et leur intégration efficace au sein de dispositifs nécessitent toutefois un contrôle avancé de leurs propriétés structurales et physiques, notamment en terme de polarité, à l'aide de techniques de lithographies avancées.Le dépôt en bain chimique des nanofils de ZnO est d'abord effectué sur des monocristaux de ZnO de polarité O et Zn préparés par lithographie assistée par faisceau d'électrons. Par cette approche de croissance localisée, un effet significatif de la polarité des nanofils de ZnO est mis en évidence sur le mécanisme de croissance des nanofils, ainsi que sur leurs propriétés électriques et optiques. La possibilité de former des nanofils de ZnO sur des monocristaux de ZnO semipolaires nous a de plus permis d'affiner la compréhension de leurs mécanismes de croissance sur les couches d'amorces polycristallines de ZnO. Par la suite, le dépôt des nanofils de ZnO en bain chimique est développé sur des couches d'amorces polycristallines de ZnO préparés à l'aide de la lithographie assistée par nano-impression. Suivant cette approche, des réseaux de nanofils de ZnO localisés sont formées sur de grandes surfaces, ce qui permet d'envisager leur intégration future au sein de dispositifs fonctionnels.Les nanofils de ZnO sont ensuite combinés avec des coquilles semiconductrices de type p par des méthodes de dépôt chimique en phase liquide ou en phase vapeur afin de fabriquer des hétérostructures cœurs-coquilles originales. Le dépôt de couches successives par adsorption et réaction (SILAR) d'une coquille absorbante de SnS de phase cubique est optimisé sur des nanofils de ZnO recouverts d'une fine couche protectrice de TiO2, ouvrant la voie à la fabrication de cellules solaires à absorbeur extrêmement mince. Enfin, un photo-détecteur UV autoalimenté prometteur, présentant d'excellentes performances en termes de réponse spectrale et de temps de réponse, est réalisé par le dépôt chimique en phase vapeur d'une coquille de CuCrO2 sur les nanofils de ZnO.

Author: Sophie Guillemin
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Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent des mécanismes de croissance associés au dépôt de nanofils d'oxyde de zinc (ZnO) en bain chimique. Cette technique de croissance, attractive de par sa facilité de mise en œuvre et son coût limité, consiste à immerger un substrat dans une solution de précurseurs portée à basse température (typiquement 90°) pendant quelques heures. Le dépôt préalable d'une fine couche de ZnO fortement texturée est nécessaire à l'obtention de la morphologie nanofils et il est donc nécessaire de maîtriser le processus de croissance associé. Dans un souci de cohérence, la méthode sol-gel dite de trempage consistant à immerger le substrat dans une solution de précurseurs avant de recuire la couche ainsi déposée est ici adoptée. Le ZnO, sous sa morphologie nanofils, est actuellement fortement étudié du fait de son fort potentiel applicatif. Typiquement, il peut être utilisé en tant que brique de basse dans la réalisation de cellules solaires de types Grätzel ou à absorbeur extrêmement fin. Dans ce contexte, il est nécessaire que les nanostructures élaborées présentent des propriétés physiques attractives et ces dernières doivent donc être finement caractérisées. Dans un premier temps, l'influence des paramètres expérimentaux associés au processus de trempage sur les propriétés morphologiques et structurales de films minces de ZnO déposés via ce processus est quantifiée. Il est montré à cette occasion que dans des conditions extrêmes de recuits, les couches évoluent vers une morphologie de type fil. Fort des conclusions obtenues, les mécanismes régissant la croissance de nanofils de ZnO en bain chimique, et plus particulièrement l'influence de la surface de nucléation sur ces derniers, sont étudiés. La possibilité d'obtenir des nanofils localisés et parfaitement alignés à travers la réalisation de masques est démontrée. L'ensemble des nanostructures élaborées (couches et nanofils) sont caractérisées par photoluminescence afin de pouvoir estimer leur qualité structurelle et d'étudier les défauts en présence. Pour finir, une étude plus fondamentale consistant à suivre in situ l'évolution des nanofils au cours de la croissance par rayonnement synchrotron est proposée avec une attention toute particulière aux phénomènes de polarité.

Author: Yamina Ghozlane Habba
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L'oxyde de zinc (ZnO) est un semi-conducteur II-VI remarquable et très prometteur dans le développement des nouveaux matériaux pour l'énergie renouvelable et pour l'environnement. ZnO est l'un des rares matériaux multifonctionnels. Grâce à ses nombreuses propriétés physiques, chimiques et optoélectroniques très intéressantes, lui confèrent d'être un matériau utilisé dans différents domaines d'applications telles que les cellules solaires, les diodes électroluminescentes, les capteurs de gaz, la dépollution de l'eau et de l'air par effet photocatalytique, etc.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés tout d'abords à optimiser l'élaboration de nanofils de ZnO (ZnO NWs) par méthode hydrothermale. Un procédé à deux étapes a été optimisé qui nous a permis d'obtenir des nanofils de ZnO ayant des excellentes propriétés morphologiques et structurales, avec une très bonne reproductibilité. Une nouvelle méthode d'élaboration, dite Electrospinning, a été mise au point. Ce procédé nous permet d'obtenir des micro- et nanofibres contenant des nanocristallites de ZnO. La combinaison des deux méthodes de synthèse nous a permis d'obtenir des nanostructures hiérarchiques de ZnO (NWs/NFs) possédant une surface effective beaucoup plus importante que la nanostructure classique (ZnO NWs).Deux applications ont été développées dans cette thèse. Dans un premier temps, des tests de détection de trois gaz réducteurs ont été réalisés sur les deux types de nanostructures de ZnO. Par la suite, une étude de purification de l'eau par effet photocatalytique a été réalisée sur un réseau de nanofils de ZnO sous irradiation UV pour les trois colorants (MB, MO et AR14). Afin d'améliorer la performance de la photocatalyse, deux nouvelles méthodes ont été développées. La première consiste à mettre en place un système microfluidique en utilisant des microréacteurs contenant des nanofils de ZnO comme photocatalyseur permettant ainsi à raccourcir considérablement le temps de dépollution. La seconde méthode est basée sur un procédé de dopage de ZnO permettant ainsi d'améliorer l'efficacité de la photocatalyse.

Author: Jamil Elias
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Le but de cette thèse a été de fabriquer des réseaux de nanofils et de nanotubes de l'oxyde de zinc (ZnO) de dimensions contrôlées en utilisant la méthode de réduction électrochimique de l'oxygène moléculaire. Plusieurs approches concernant le contrôle des dimensions de ces nanofils ont été investiguées. Des réseaux formés de nanofils de ZnO ont été obtenus dans une large gamme de diamètre (25-500 nm), de longueur (0,25-10 μm) et de densité (1x108-8x109 nanofils/cm2). Après l'étude du mécanisme de formation des nanofils, nous avons proposé une nouvelle méthode pour obtenir des réseaux de nanotubes de ZnO par dissolution des coeurs des nanofils. Les dimensions des réseaux de nanotubes ont été contrôlées en contrôlant celles des nanofils lors de la première étape d'électrodépôt. Nous avons aussi montré que les épaisseurs des parois de ces nanotubes peuvent aisément être contrôlées par l'ajout d'une troisième étape d'électrodépôt. Les propriétés optiques, électriques et structurales des nanofils et des nanotubes de différentes dimensions, obtenus avec différents conditions de dépôt ont été étudiées dans cette thèse. Finalement, des cellules ETA, constituées de ZnO/CdSe/CuSCN, ont été étudiées en utilisant les réseaux obtenus. Les effets de la morphologie et des dimensions des nanofils et nanotubes sur la diffusion de la lumière et la performance électronique des dispositifs ont été étudiés. Cela nous a permis de mieux comprendre les mécanismes optiques et électroniques impliqués dans ce type de cellule solaire ouvrant de nombreuses possibilités pour améliorer leur performance.