Synthèse de nanocristaux de type Chalcopyrite en vue d'applications en cellules solaires

Organic/inorganic hybrid thin films for multijunction solar cells

• Auteur / Autrice : Aurélie Lefrançois
• Direction : Peter Reiss, Saïd Sadki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 28/10/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Structures et Propriétés d'Architectures Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Structures et propriétés d'architectures moléculaire
• Jury : Président / Présidente : Thierry Toupance
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stephanie Pouget
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabienne Testard, Hens Zeger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Voltamétrie

Ligands

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

Nanocristaux semi-conducteurs

CuInS2

Cellules solaires hybrides

Fonctionnalisation de surface

Ligands

Voltammétrie différentielle pulsée (DPV)

Semiconductor nanocrystals

CuInS2

Hybrid solar cell

Ligand exchange

Differential pulse voltammetry (DPV)

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de nanocristaux semi-conducteurs ternaires, et leur application dansdes cellules solaires hybrides organiques/inorganiques. Les nanocristaux semi-conducteurs absorbentla lumière à des longueurs d’ondes déterminées par leur taille et leur composition, et conduisent lescharges électriques. Ils sont stables en solution, ce qui permet un dépôt de couches minces à bascout. Aujourd’hui les meilleurs rendements en cellules solaires hybrides sont obtenus à partir de nanocristauxbinaires contenant soit du plomb, soit du cadmium. Les nanocristaux ternaires conserventles propriétés particulières des nanocristaux binaires tout en permettant de s’affranchir des élémentstoxiques. Cependant, leur synthèse reste à optimiser pour contrôler de leur structure cristalline et leurcomposition.Nous avons réalisé, par voie chimique, la synthèse de nanocristaux de CuInS2 de taille et de compositioncontrôlées. En suivant in situ la synthèse de ces nanocristaux par diffraction des rayons X sous rayonnementsynchrotron nous avons trouvé que les précurseurs s’organisent avant nucléation sous forme deplans espacés par deux longueurs du ligand utilisé (ici dodécanethiol, DDT). Cela impacte nucléationet croissance des nanocristaux. Les ligands stabilisent les nanocristaux en solution colloïdale, maisleur caractère isolant peut inhiber le transfert et le transport de charges. Le remplacement du ligandd’origine (DDT) par un ligand plus court, l’éthylhexanethiol (EHT), modifie les niveaux d’énergie etpermet d’augmenter la conductivité des films de nanocristaux. Nous avons intégré des nanocristauxde CuInS2 entourés d’EHT dans des cellules hybrides constituées d’un polymère conjugué (P3HT) etd’un fullerène (PCBM). L’efficacité des cellules solaires contenant des nanocristaux entourés d’EHTest significativement améliorée par rapport à celle des cellules de P3HT :PCBM réalisées dans lesmêmes conditions. Le transfert et la mobilité des charges sont étudiés par RPE sous éclairement etphoto-CELIV respectivement. De ces études il ressort que l’amélioration des cellules provient d’unemeilleure génération et dissociation des charges.

This work is devoted to the study of ternary semiconductor nanocrystals, and their application inhybrid organic/inorganic solar cells. Semiconductor nanocrystals absorb light at controlled wavelength(depending on their size and composition) and are able to transport charges. They form a colloidalsolution in organic solvent compatible with low-cost deposition in thin films. Nowadays, the bestefficiency for such hybrid solar cells is obtained with binary nanocrystals containing lead or cadmium.Ternary nanocrystals preserve the opticla and electronic properties of binary nanocrystals withoutrelying on toxic elements, but it is still a challenge to control their composition and structure.In this thesis, CuInS2 nanocrystals of controlled size and composition were syntesized. A study ofnucleation and growth was carried out by following the synthesis in situ with X-ray radiation at thesynchrotron. This has shown that precursors’ organize themselves into plans of atoms separated by twotimes the length of the ligand (here dodecanethiol, DDT). Ligands stabilize the nanocrystals in colloidalsolution, but their insulating character inhibits efficient charge transfer and transport. Ligand exchangewith ethylhexanethiol (EHT) improves the conductivity of thin films and changethe energetic level ofthe nanocrystals.We studied an approach of hybrid solar cell design, consisting in a bulk heterojunctionof two semiconductor organic components (P3HT and PCBM) and CuInS2 nanocrystals. The efficencyof the cells where nanocrystals are added are better than the one with only P3HT:PCBM. The chargetransfer and mobility was studied by the mean of light induced ESR and CELIV respectively. It hasshown that the improvement of the solar cell efficiency is mainly related to an improvement of thecharge generation and dissociation in the ternary blend.