Etude de gels d'oxyde de titane entrant dans la fabrication de cellules photovoltaïques

Study of titanium oxyde gel for photovoltaic cell devices

• Auteur / Autrice : Bruno Pattier
• Direction : Alain Gibaud, Mihaela Girtan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'état condensé (Le Mans) - Laboratoire de photonique d'Angers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffusion

Résonance paramagnétique électronique

Photopiles

Couches minces

Oxyde de titane

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

GISAXS (Grazing-Incidence Small-Angle X-ray Scattering)

SAXS (Small-angle X-ray scattering)

Résumé

Ce travail de thèse a porté sur l’élaboration et la caractérisation de matériaux à base d’oxyde de titane synthétisés par voie sol gel. Il s’inscrit dans le cadre des recherches sur les cellules photovoltaïques de troisième génération. Dans cette étude, les cellules photovoltaïques sont composées d’un gel photosensible à base d’oxyde de titane pris en sandwich entre un film de dioxyde de titane (TiO2) et un polymère conducteur. Le gel est élaboré à partir d’une solution d’oxychlorure de titane en milieu acide dilué dans du N,Ndiméthylformamide (DMF). En s’hydrolysant le DMF entraîne la polymérisation du titane. Des études de spectroscopie Raman et de diffusion centrale par rayons X ont contribué à une meilleure compréhension des processus de formation de ces gels en fonction de leurs compositions. Les gels photosensibles résultants de la condensation du titane ont la particularité d’absorber le rayonnement solaire dans une large gamme de son spectre. En effet les gels transparents bleuissent lorsqu’ils sont irradiés sous UV. Ceci est la conséquence de la réduction des ions titanes Ti(IV) en titanes Ti(III). Les propriétés photosensibles quant à elles ont été suivies in situ par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique. Elles ont mis en évidence le lien entre la composition initiale du sol et la cinétique de réduction du titane. Une part importante de ce travail a également été dédiée à l’optimisation des conditions de synthèse de films minces denses et mésoporeux de TiO2 ; le rôle de ces derniers étant d’accroître l’interface entre le gel et le TiO2. Leur fabrication repose sur l’auto-organisation de tensioactifs au sein d’une matrice de TiO2. Les films ont été caractérisés par réflectivité des rayons X et les mésostructures par diffusion des rayons X en angle rasant. Finalement, nous avons assemblé les premières cellules photovoltaïques de ce type et étudié leurs caractéristiques sous simulateur solaire. Les premiers résultats ont conduit à un rendement maximum de 1. 7%. De nombreux facteurs peuvent impacter sa valeur dont il conviendra d’en approfondir la cause.

This work focused on the elaboration and the characterisation of materials based on titanium oxide synthesised by sol-gel way. It is a part of the research on the third generation photovoltaic cell. In this study, the photovoltaic cell is made up of a photosensitive gel based on titanium oxide sandwiched between a titanium dioxide film and a conductive polymer. The gel is elaborated from titanium oxichloride solution in acid medium and diluted in N,N dimethylformamide (DMF). By hydrolisation, the DMF leads to the polymerisation of the titanium ; studies of Raman spectroscopy and small angle X ray scattering contributed to a better understanding of the process of formation of these gels in function of their composition. The photosensitive gels resulting of the titanium condensation have the particularity to absorb the solar radiation in a wide range of its spectrum. In this way, the transparent gel turns blue after a UV irradiation. This is the consequence of reduction of the titanium ions Ti(IV) into Ti(III). The photosensitive properties have been followed in situ by electronic paramagnetic resonance spectroscopy. They revealed the connection between the initial composition of the sol and the kinetic of the titanium reduction. An important part of this work is also consecrated to the optimization of the synthesis conditions of dense and mesoporous TiO2 thin films ; the role of the latter is to improve the interface between the gel and the TiO2. Their elaboration is built on the self assembly of surfactant inside a TiO2 matrix. The films have been characterised by X ray reflectivity and the mesostructure by grazing angle X ray scattering. Finally, we have assembled the first photovoltaic cell of this type and studied their characteristics under irradiation from a solar simulator. The first results have given a maximum efficiency of 1,7 %. Many factors can impact its value witch we need to go the causes too closely.