Réalisation et modélisation d'électrodes transparentes à base de nanofils d’argent appliquées aux cellules solaires organiques

Development and simulation of silver nanowire based transparent electrodes for organic solar cells

• Auteur / Autrice : Issoufou Ibrahim Zamkoye
• Direction : Bruno Lucas, Sylvain Vedraine, Laurence Vignau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Soutenance le 12/01/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Vignau, Jörg Ackermann, Mihaela Girtan, Pierre Audebert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jörg Ackermann, Mihaela Girtan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Cellules solaires organiques

Nanofils d'argent

Innovation

Électrodes transparentes

Mots clés libres

Electrodes transparentes

Cellules solaires organiques

Nanofils d'argent

Modélisation

FDTD

Plasmon

Organic solar cells

Transparent electrodes

Silver nanowires

Modeling

FDTD

Plasmon

Résumé

Les électrodes transparentes sont des éléments clés dans la fabrication de dispositifs optoélectroniques tels que les LED, les écrans tactiles et les cellules solaires. L'électrode transparente dominant le marché dans ces domaines est basée sur l'oxyde d'indium dopé à l’étain (ITO). Elle contient de l'indium, qui est un élément coûteux, rare, difficile à extraire et surtout en voie de disparition, d'où la nécessité de lui trouver une alternative. Les électrodes à base de nanofils d'argent (AgNWs) constituent l'une des meilleures alternatives en raison de leurs excellentes propriétés électriques, optiques et mécaniques. Dans ce travail, nous montrons que l'intégration des AgNWs entre deux couches de nanoparticules de ZnO (ZnONPs) conduit à des performances optiques et électriques plus élevées. L’intégration de l'électrode ZnONPs /AgNWs/ ZnONPs (ZAZ) dans des cellules solaires organiques à base de PCE12 :ITIC ou PF2 :PC71BM a montré une augmentation de l’absorption de la couche active donc des performances photovoltaïques des cellules solaires. Cette augmentation est due au champ électrique résultant de la résonance plasmonique puisque l'absorption est proportionnelle au carré de l'amplitude du champ électrique. La modélisation numérique de l’électrode ZAZ a permis d’émettre des hypothèses expliquant les différents modes de propagation du plasmon généré suite à l’interaction lumière AgNWs. Par spectroscopie de photoluminescence, nous avons également observé une durée de vie plus courte des excitons dans le PF2 en présence de AgNWs. Tous ces processus conduisent à une amélioration des performances photovoltaïques par rapport à la référence à base d'ITO, avec une augmentation supérieure à 20% du photocourant et du rendement global des dispositifs.

Transparent electrodes are a key component in the manufacturing of optoelectronic devices such as LEDs, touch screens, and solar cells. The transparent electrode commonly used in this field is based on indium tin oxide (ITO). It contains indium, which is an expensive, rare, difficult to extract and depleting element, hence the need to find an alternative. Silver Nanowires (AgNWs) based electrodes are one of the best alternatives due to their excellent electrical, optical, and mechanical properties. In this work we show that embedding AgNWs between two layers of ZnO nanoparticles (ZnONPs) leads to higher optical and electrical performance. The implementation of ZnONPs /AgNWs/ ZnONPs (ZAZ) electrode in organic solar cells based on PCE12:ITIC or PF2:PC71BM showed an increase in the absorption of the active layer and thus in the photovoltaic performance of the solar cells. This enhancement is due to the electric field resulting from the plasmonic resonance since the absorption is proportional to the square of the electric field amplitude. The numerical modeling of the ZAZ electrode allowed us to put forward hypotheses explaining the different propagation modes of the plasmon generated by the AgNWs light interaction. Through photoluminescence spectroscopy, we also observed a shorter exciton lifetime in PF2 in the presence of AgNWs. All these processes lead to improved photovoltaic performance compared to the ITO-based reference, with more than 20% increase in photocurrent and overall power conversion efficiency.