Cristaux photoniques bidimensionnels pour l'absorption de la lumière dans les cellules solaires organiques

Two dimensional photonic crystals for light absorption in organic solar cells

• Auteur / Autrice : Léo Peres
• Direction : Valérie Vigneras, Sophie Fasquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Christian Seassal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Geffroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Fischer, Jean-Jacques Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lumière -- Absorption

Nanophotonique

Cristaux photoniques

Semiconducteurs organiques

Photopiles

Mots clés libres

Photovoltaïque organique

Nanophotonique

Cristaux photoniques

Organic solar cells

Nanophotonics

Photonic crystals

Résumé

Dans une cellule solaire, il existe un compromis entre l’efficacité d’absorption des photons et le rendement quantique de collection des charges électriques. Dans les semi-conducteurs organiques, la longueur de diffusion des porteurs est limitée à une centaine de nanomètres, si bien qu’il est nécessaire de travailler avec des couches photo-actives ultraminces (< 100 nm). Pour limiter l’épaisseur physique des matériaux utilisés tout en maintenant une absorption élevée, il est possible d’utiliser les propriétés des cristaux photoniques (CP), pour allonger la durée d’interaction des photons avec le milieu absorbant. Cela consiste à former un CP dans la couche active ou à son voisinage et d’exciter des modes résonants de la structure. Ce travail de thèse est divisé en plusieurs parties. Dans un premier temps, à l’aide d’outils numériques, nous nous intéressons aux phénomènes qui régissent le gain d’absorption lors du couplage d’une onde plane avec un mode résonant d’une membrane à CP. Ensuite, nous étudions une cellule à CP, où l’électrode d’ITO est nano-structurée, et nous optimisons le gain d’absorption d’une couche photo-active ultramince (50 nm). Enfin, dans un travail expérimental, nous fabriquons des cristaux colloïdaux bidimensionnels à base de microsphères diélectriques par différentes méthodes d’auto assemblage.

In a solar cell, there is a trade-off between light absorption capacity and internal quantum efficiency. In organic semi conductors, charge carrier diffusion is limited to a few hundred nanometers, which implies to work with very thin active layers (< 100 nm). In order to limit the thickness of the material while keeping high light absorption, it is possible to use the properties of photonic crystals (PC) to enhance light matter interaction duration. It consists in forming a PC in or around the active layer, and to excite a resonant mode of the formed photonic structure. The work of this thesis is divided into several parts. In a first approach, using numerical tools, we investigate the phenomena that give rise to absorption enhancement when a plane wave is coupled to a resonant mode of a PC membrane. We then study a nano-structured cell architecture, in which the ITO electrode is periodically patterned, and we optimize absorption enhancement in the thin active layer (50 nm). Finally, in an experimental work, we fabricate two dimensional colloidal crystals formed by dielectric microsphere self assembly.