Etude et caractérisation de couches minces photosensibles organique-inorganique à base de titane pour la conversion de l'énergie solaire

Study and characterization of photosensitive organic-inorganic titanium-based thin film for solar energy conversion

• Auteur / Autrice : Solène Bechu
• Direction : Mireille Richard-Plouet, Mihaela Girtan, Luc Brohan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/11/2016
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Cassaignon, Bernard Geffroy, Bernard Humbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Reshpringer, Sophie Cassaignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Photopiles

Conversion photovoltaïque

Oxyde de titane

Mots clés libres

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Résumé

Ce travail porte sur l'étude et la mise en forme de sols gels photosensibles d'oxyde de titane. Ces oxydes de titane ont la particularité de présenter, après réduction du Ti(IV) en Ti(III), un niveau intermédiaire dans leur bande interdite. Ils peuvent ainsi être des candidats potentiels pour des applications photovoltaïques, notamment pour la troisième génération de cellules solaires, visant à dépasser le rendement théorique de Schokley-Queisser. Ces oxydes ont déjà pu être caractérisés en volume lors de précédents travaux au sein de l'Institut des Matériaux Jean Rouxel, mais ont été étudiés sous la forme de couches minces pour la première fois lors ce travail. Dans un premier temps, une étude par spectroscopies Infra-Rouge et Raman a été mise en place afin d'étudier le mécanisme de polycondensation de ces sols en gels d'oxydes de titane. Puis, une caractérisation des couches minces de ce sol-gel est réalisée à la fois par spectroscopie Infra-Rouge, Raman et par XPS. La seconde partie de ce travail est basée sur les changements observés dans la nature du matériau, une fois la réduction initiée. Pour cela, des illuminations in situ ont été réalisées en XPS et en Infra-Rouge sur des couches minces et leurs états intermédiaires ont été caractérisés. Une méthode vectorielle a également été développée dans l'optique d'identifier et approfondir la nature de ces changements. Enfin, ces sols-gels d'oxydes de titane ont été utilisés pour réaliser des cellules solaires de troisième génération, basées sur des architectures utilisées dans des cellules solaires organiques. Des mesures courants-tension ont été réalisées, en utilisant différentes couches interfaciales

This work is based on the study and the processing of photosensitive titanium oxide sol gel as thin films. Theses titanium oxides are relevant due to the presence of an intermediate level in the material band gap, after photo-reduction of the Ti(IV) in Ti(III). They are potential candidates for photovoltaic application, specifically for the third solar cells generation, which aims to overlay the Schockley-Queisser theoretical limit. Previous studies were run on the bulk materials at the Institut des Matériaux Jean Rouxel, however here, the study will be focused on thin films from those oxides. First of all, spectroscopic studies (Infra-Red and Raman) are carried out to understand the polycondensation mechanism of those titanium oxides sols-gels. Then, a characterization is led by Infra-Red, Raman and XPS on thin films made from those materials. The second part of this work is relative to the changes observed in the material during the reduction of Ti(IV) in Ti(III). In order to understand it, insitu illuminations were performed and the evolutions of XPS and Infra-Red spectra were analyzed. Intermediate states were characterized, through a vectorial method, developed in order to identify and understand the changes. Finally, those sols-gels have been used to fabricate third generation solar cells, based on the architecture of organic solar cells. Current-voltage measurements were performed, by using different interfacial layers.