Development and characterization of nano-architectured organic photovoltaic cells
Élaboration et caractérisations des cellules photovoltaïques organiques nano-architecturées
Résumé
Thanks to the development of new materials and innovative concepts, the photovoltaic research field constantly growing. This thesis aims at developing solar cells based on architecture close to interpenetrating structure, which combine synthetized ZnO nanowires and an active layer composed of a volume heterojunction donor/acceptor. We developed an efficient experimental protocol to synthetize via hydrothermal growing in mastered and reproducible manner ZnO nanowires on ITO substrate. An optimal morphology on ZnO nanowires with length close to 200 nm and diameter close to 30nm, required for photovoltaic application, was targeted and successfully obtained. After the optimization of solar cells assembly and their characterizations, short-circuit current density of 22 mA/cm² (2 times better than the 2D cells) and power conversion efficiency of 7.7% (1.4 times better than the 2D cells) were obtained for solar cells based on ZnO nanowires architecture. This result validates the efficiency of the concept of nanotexturing of substrates, the method of solar cells assembly, the chosen morphological characteristics of the nanotexture and the selected materials.
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.