Structures photoniques pour le solaire organique : modélisations et expérimentations

• Auteur / Autrice : David Duché
• Direction : Ludovic Escoubas, Jean-Jacques Simon, Philippe Torchio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impression moléculaire

Polymères

Semiconducteurs

Photopiles

Couches minces

Guides d'ondes

Cristaux photoniques

Résumé

Les matériaux organiques présentent l'avantage de réduire les coûts de production des dispositifs photovoltaïques. Les efficacités de photo-conversion des cellules solaires organiques (CSOs) sont cependant encore faibles et doivent atteindre 10% pour rendre cette technologie commercialement viable. Dans ce contexte, les concepts photoniques semblent bien adaptés afin d'améliorer l'absorption photonique de ces dispositifs en couches minces et, dans le cadre de cette thématique, nous avons étudié l'utilisation de cristaux photoniques membranaires (CPs) afin de confiner la lumière dans les CSOs. L'objectif est de coupler des modes de Bloch, aussi appelés modes de Bloch lents (MBLs), qui possèdent des vitesses de groupe proches de zéro dans la couche active. A l'aide d'une méthode FDTD (Finite Différence Time Demain), une étude théorique qui concerne l'utilisation de CPs en semi-conducteurs organiques ainsi que leur incorporation dans l'empilement d'une CSO a été réalisée. Nous avons montré qu'une augmentation entre 4 et 11% de l'absorption peut être obtenue en fonction du "gap" du matériau utilisé. Un procédé de nanoimpression a ensuite été utilisé afin de structurer directement des couches minces en P3HT :PCBM sous la forme de CPs capables de coupler des MBLs. En accord avec le modèle, les caractérisations optiques ont montré des gains d'absorption significatifs. De plus, les résultats ont prouvé que les propriétés cristallines des matériaux ne sont pas altérées par le procédé.

Organic materials offer the possibility to decrease the manufacturing costs of solar cells. Nevertheless, the photo-conversion efficiencies of organic solar cells (OSCs) are still low and have to reach 10% to make this technology commercially viable. In that context, photonic concepts seem to be adapted to improve the photonic absorption of such thin film devices. Accordingly, we investigated the use of photonic crystals slabs (PCS) to trap the light inside the OSCs. The aim is to couple Bloch modes with very low group velocities, also called Slow Bloch Modes (SBM), into the active layer. Using a Finite Difference Time Domain method, we theoretically studied PCS made of organic semiconductors and their incorporation in the stack of an OSC. We showed that an absorption gain between 4% and 11% can be obtained according to the band gap of the used material. Nanoimprint has been used to directly pattern P3HT :PCBM thin films in the shape of PCS able to couple SBMs. In agreement with the model, optical characterizations showed significant absorption gains. Furthermore, results proved that the crystalline properties of the blend are conserved during the process.