Semi-conducteurs de type p pour une application en cellules solaires à colorant

P-Type semiconductors for an application in dye sensitized solar cells

• Auteur / Autrice : Adèle Renaud
• Direction : Stéphane Jobic, Fabrice Odobel, Laurent Cario
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux, Chimie du solide
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Guy Ouvrard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Jobic, Fabrice Odobel, Laurent Cario, Guy Ouvrard, Philippe Tailhades, Graziella Goglio
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Tailhades, Graziella Goglio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires à colorant

Nanoparticules

Photopiles

Semiconducteurs

Mots clés libres

Semi-conducteur type p

Laocus

Cugao2

Spectroscopie d’Impédance Complexe (SIC)

Potentiel de bandes plates

Résumé

Les travaux de thèse portaient sur la réalisation de cellules à colorant de type p (DSSCp) avec une photocathode autre que NiO. L’objectif était de remplacer ce semi-conducteur de type p par des matériaux plus transparents, plus conducteurs et présentant une bande de valence plus basse en énergie pour permettre de générer des tensions en circuit ouvert (VOC) plus élevées. Dans ce cadre, les composés CuGaO2, LaOCuS et ZnO:N ont été synthétisés sous la forme de nanoparticules, caractérisés par diffraction des rayons X et leurs potentiels de bandes plates (Vbp) déterminés par spectroscopie d’impédance complexe. Il en résulte que CuGaO2, LaOCuS et ZnO:N présentent respectivement des Vbp nettement supérieur (0,49 V/ECS), similaire (0,26 V/ECS) et inférieure (0,20 V/ECS) à celui de NiO (0,33 V/ECS). Naturellement, des cellules à colorant à base du matériau de la famille des delafossites ont été réalisées et testées avec la dyade PMI-NDI comme colorant et un complexe de cobalt comme médiateur rédox. Une VOC supérieure à celle observée pour NiO dans les mêmes conditions a été mis en évidence. Ce résultat est malheureusement terni par un courant en court-circuit (Jsc) moindre. Pour tenter de remédier à cet inconvénient, des matériaux CuGaO2:Mg avec des surfaces spécifiques supérieures à celle de CuGaO2 ont été réalisés et testés. Parallèlement, nous nous sommes attachés à la réalisation de cellules à base de LaOCuS, autrement plus conducteur que NiO, tandis que la conductivité de type p de ZnO:N a été caractérisée plus en profondeur.

These thesis works focused on the realization of p-type dye sensitized solar cells (DSSCp) with a photocathode using an alternative to NiO. The objective was to replace the p-type semiconductor by more transparent and conductive materials and displaying a lower valence band energy to enable the generation of higher open circuit voltages (Voc). In this context, CuGaO2, LaOCuS and ZnO:N compounds were synthesized in nanoparticles form, characterized by X-ray diffraction and their flat band potentials (Vfb) were determined by complex impedance spectroscopy. As a result CuGaO2, LaOCuS and ZnO:N have Vfb significantly higher (0. 49 V/SCE), similar (0. 36 V/SCE) and lower (0. 20 V/SCE) than that of NiO (0. 33 V/SCE). Thus, dye sensitized solar cells based on the delafossite material were made and tested with the PMI-NDI dyad as dye and a cobalt complex as redox mediator. A greater VOC than that observed for NiO under the same conditions is highlighted. This result is unfortunately altered by a lower short circuit current (Jsc). To try to overcome this drawback, CuGaO2:Mg materials with a higher specific surface area than that of CuGaO2 have been prepared and tested. Simultaneously, we have focused on the achievement of cells based on LaOCuS, more conductive material than NiO. In addition, the p-type conductivity of ZnO:N was further characterized.