Optimisation via une approche par spectroscopies ultra-rapides des cellules photovoltaïques à colorant transparents et incolores dans le visible.

Optimization via an ultrafast spectroscopy approach of transparent and colorless dye photovoltaic cells in the visible range

• Auteur / Autrice : Ana Lícia Gomes
• Direction : François-Alexandre Miannay
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie theorique, physique, analytique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAboratoire de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Cellules solaires sensibilisées par colorant (DSSCs)

Spectroscopie d'absorption transitoire (TAS)

Analyse photophysique

Logiciel Femto-TAS

Colorant

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs)

Transient Absorption Spectroscopy (TAS)

Photophysical Analysis

Femto-TAS Software

Dye

Résumé

Les jonctions p-n au silicium couvrent actuellement 90% du marché des modules photovoltaïques (PV). Leur intégration est réalisée là où leurs propriétés sont avantageuses comme les toitures de bâtiments existants ou dans des fermes de production, au mieux orientées sud et avec un angle d'exposition permettant de faire face au soleil. Toutefois, le succès d'intégration du PV dans le futur mix énergétique est fortement conditionné par une diversification d'intégration et d'exploitation de la lumière environnante, ce qui nécessite le déploiement de technologies complémentaires. La diversification passe par une modularité esthétique via des nouveaux concepts innovants comme la flexibilité, la coloration ou enfin la semi-transparence. Aujourd'hui les systèmes PV sont opaques et majoritairement bleu foncé ou noir. Des technologies semi-transparentes par gravure de technologies opaques comme le silicium commencent à apparaitre. Pourtant des technologies films minces plus appropriées mais moins matures existent, c'est le cas de l'organique (OPV), des systèmes à colorant (DSSC) ou des pérovskites (PSC). Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques qui sont constituent la grande majorité des technologies PV actuelles, les absorbeurs moléculaires contenus dans l'OPV et les DSSC permettent de rendre l'absorption de la lumière sélective à une portion. C'est à partir de cette propriété qu'un nouveau paradigme est né dans les cellules DSSC via le développement et l'intégration d'absorbeurs sélectifs au proche-IR.1 Une fois intégré dans des cellules, après optimisation, les dispositifs deviennent totalement transparents et incolores dans le visible avec une transmittance moyenne supérieure à 80 %2 pour un rendement de conversion pouvant atteindre 4 % grâce à une nouvelle génération d'absorbeurs brevetées au CNRS3. Ces rendements peuvent être portés à 7-8 % en minimisant les pertes énergétiques liées aux agrégats et à la régénération du colorant via le couple redox inclus dans l'électrolyte. La formation d'agrégats de type H est également néfaste pour la transmittance de la cellule. L'objectif de ce travail de thèse est d'une part d'optimiser les rendements de conversion de cette nouvelle technologie et d'autre part, au centre du travail, d'étudier les pertes énergétiques majeures dans ces systèmes en utilisant la spectroscopie ultra-rapide (absorption transitoire et fluorescence). Il s'agira de dégager les mécanismes clés limitant les performances de conversion comme la dynamique de transfert d'énergie entre les monomères et les agrégats moléculaires, la vitesse d'injection des charges et enfin la vitesse de régénération du colorant selon différents types de couple redox transparents et différents types de colorant NIR. L'objectif sera donc de comprendre les mécanismes limitant et de travailler sur l'optimisation en rendement des cellules. Pour se faire, ce travail de thèse sera mené conjointement entre le Laboratoire Avancé de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement (LASIRE) sous la direction du Dr. François Alexandre Miannay pour toute la partie photophysique, en appui avec le Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS, Amiens) avec le Dr. Frédéric Sauvage en co-encadrement pour la fabrication et l'optimisation des rendements de conversion des cellules NIR-DSSC.

Silicon p-n junctions currently cover 90% of the photovoltaic module (PV) market. Their application is carried out where their properties are advantageous, such as on the building roofs or in production farms, at best facing south and with an angle of exposure that allows them to face the sun. However, the successful integration of PV in the future energy mix is strongly conditioned by a diversification of incorporation and exploitation of the surrounding light, which requires the deployment of complementary technologies. Diversification requires aesthetic modularity through new innovative concepts such as flexibility, coloring or semi-transparency. Today, PV systems are opaque and mostly dark blue or black. Semi-transparent technologies by etching opaque technologies such as silicon are starting to appear. However, more appropriate but less mature thin film technologies exist, such as organic (OPV), dye-sensitized systems (DSSC) or perovskites (PSC). Unlike the inorganic semiconductors which are the vast majority of current PV technologies, the molecular absorbers contained in OPV and DSSC allow to make the light absorption selective to a portion. It is from this property that a new paradigm was born in DSSC cells via the development and integration of near-IR selective absorbers. Once integrated in cells, after optimization, the devices become totally transparent and colorless in the visible range with an average transmittance higher than 80% for a conversion efficiency up to 4% thanks to a new generation of absorbers patented at CNRS. These efficiencies can be increased to 7-8% by minimizing the energy losses related to aggregates and dye regeneration via the redox pair included in the electrolyte. The formation of H-type aggregates is also detrimental to the transmittance of the cell. The objective of this thesis work is on the one hand to optimize the conversion yields of this new technology and on the other hand, at the center of the work, to study the major energy losses in these systems using ultrafast spectroscopy (transient absorption and fluorescence). The aim will be to identify the key mechanisms limiting the conversion performances such as the energy transfer dynamics between monomers and molecular aggregates, the charge injection speed and finally the dye regeneration speed according to different types of transparent redox pairs and different types of NIR dyes. The objective will be to understand the limiting mechanisms and to work on the optimization of the cell efficiency. To do so, this thesis will be conducted jointly by the Laboratoire Avancé de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement (LASIRE) under the direction of Dr. François Alexandre Miannay for all the photophysical part with the support of the Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS, Amiens) (Dr. Frédéric Sauvage as co-supervisor) for the fabrication and the optimization of the conversion yields of NIR-DSSC cells.