Nouvelles Architectures de Cellules Photovoltaïques Hybrides à base de Nanocristaux d’Oxyde de Titane Optiquement Actif

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Nouvelles Architectures de Cellules Photovoltaïques Hybrides à base de Nanocristaux d’Oxyde de Titane Optiquement Actif
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Physique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Institut XLIM, UMR 7252
Département MINACOM
Equipe Optoélectronique Plastique
Université de Limoges/CNRS
123 Avenue Albert Thomas
87060 Limoges Cedex
France
Date Limite de candidature : 14/06/2013
Laboratoire d’accueil : XLIM/MINACOM

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe Optoélectronique Plastique du Département MINACOM (Micro et Nanotechnologies pour les composants optoélectroniques et micro-ondes) d’XLIM est impliqué dans la recherche expérimentale et amont sur l’électronique organique et hybride, depuis la réalisation des dispositifs, leur caractérisation optoélectronique, jusqu’à la modélisation de leurs propriétés physiques. Les activités du groupe sont développées dans le cadre de collaborations locales, nationales et internationales, aussi bien avec des partenaires du monde académique que du tissu industriel régional et national. L’équipe est bien intégrée et identifiée dans les réseaux nationaux dédiés à l’optoélectronique organique, en particulier dans le domaine de la conversion photovoltaïque.

Résumé de la thèse en français
La thèse proposée vise le développement de cellules photovoltaïques hybrides exploitant les propriétés de nanocristaux d’oxyde de titane présentant une activité dans le domaine du visible. Ce travail, qui s’inscrit dans un contexte international très dynamique, vise à démontrer des solutions originales pour la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire, en exploitant la versatilité des semi-conducteurs organiques (molécules conjuguées, polymères) et des nanocristaux d’oxyde de titane. S’appuyant sur de fortes collaborations existantes, ce travail ambitionne la démonstration de nouveaux concepts de composants hybrides, et vise une meilleure compréhension des phénomènes de génération de charges impliqués.
Un premier aspect concernera le développement de cellules à hétérojonctions hybrides à base de mélanges polymères/nanocristaux exploitant des nanoparticules optiquement actives, déjà synthétisées dans le cadre d’une collaboration (CEA de Saclay). Dans un second temps, un travail sur les architectures des composants (couches d’interface, électrodes) devra permettre d’optimiser aussi bien les performances que la durée de vie des cellules.
Le travail sera réalisé au sein de l’équipe Optoélectronique Plastique du département MINACOM à XLIM (UMR CNRS 7252, Limoges, France), et concernera l’étude des matériaux actifs et des interfaces hybrides, la réalisation des composants photovoltaïques, ainsi que leur caractérisation. Un volet spécifique dédié à la mesure des cinétiques de transfert/recombinaison des charges au sein des couches actives sera de plus mené, à l’aide des techniques résolues en temps disponibles au laboratoire.

Résumé de la thèse en anglais
The proposed thesis aims at developing hybrid photovoltaic cells based on optically active titanium oxide nanoparticles. Benefiting from a very dynamic general context, this work is devoted to the demonstration of original solutions for solar energy conversion, by exploiting the versatility of organic semiconductors (conjugated molecules and polymers) and inorganic metal oxide nanocrystals. This thesis project will be the opportunity to explore new hybrid device concepts and to get a better understanding of the charge generation mechanisms involved.
A first part will be devoted to the development of hybrid bulk heterojunctions solar cells based on polymer/nanocrystals blends using optically active titanium oxide nanoparticles that are already synthesized within collaboration (CEA in Saclay, France). Then, a specific work on device architectures (interfacial layers, electrodes, design) will help optimize both device performance and lifetime.
The thesis will be carried out within the Plastic Optoelectronics group of the MINACOM department at the XLIM Research Institute (CNRS UMR 7252, Limoges, France). The work will deal with the characterization of the active materials and hybrid interfaces, the processing of hybrid solar cells, as well as their optoelectronic characterization. A specific task will also be proposed concerning the advanced characterization of the involved charge transfer/recombination mechanisms occurring in the active layers using time-resolved techniques available in the laboratory.

Description complète du sujet de thèse
Dans le contexte actuel des énergies renouvelables, les cellules photovoltaïques hybrides associant des semi-conducteurs organiques (polymères, molécules) et inorganiques (nanocristaux, couches nano-structurées) montrent de fortes potentialités. En particulier, l’utilisation de nanocristaux à base d’oxydes métalliques, tels que le dioxyde de titane (TiO2) ou l’oxide de zinc (ZnO), a permis la démonstration de cellules solaires élaborées à bas coûts présentant des rendements de conversion de puissance en constante augmentation. D’autre part, ces composants sont potentiellement compatibles avec les technologies d’impression et permettent le développement à l’échelle industriel sur de grandes surfaces.
Plus récemment, quelques travaux ont montré que la modification des propriétés optiques des oxydes métalliques, par modification structurale ou par dopage, conduit à la réduction de leur gap optique, et donc, à une activité dans le domaine du visible pouvant être exploitée pour la conversion de l’énergie solaire.
L’équipe Optoélectronique Plastique du département MINACOM d’XLIM a en particulier développé une forte collaboration avec une équipe du CEA de Saclay qui synthétise par pyrolyse laser des nanocristaux d’oxydes de titane variés, présentant des propriétés électroniques originales et pour certains, une activité dans le domaine du visible.
Les premiers travaux menés au sein de l’équipe depuis 2007 ont permis de démontrer une expertise reconnue dans l’élaboration de cellules solaires sensibilisées à colorant à l’état solide à base de TiO2, avec la démonstration de rendement de conversion de puissance à l’état de l’art 1]. Plus récemment, les premiers résultats exploitant des nanocristaux optiquement actifs suggèrent qu’une conversion directe des photons solaires est possible via l’oxyde métallique [2].

La thèse de doctorat proposée vise à exploiter de façon systématique ces nouvelles nanoparticules actives dans le visible pour la conversion photovoltaïque, en levant les verrous actuels des composants conventionnels, et en développant de nouveaux concepts de composants hybrides.

– Le premier aspect concerne l’élaboration de cellules photovoltaïques hybrides à base de polymères conjugués incorporant des nanocristaux d’oxyde de titane optiquement actifs. Un des enjeux consistera à l’étude des mécanismes physiques se déroulant au sein des cellules pour la génération de charges à l’aide de caractérisations optoélectroniques en régime transitoire disponibles au laboratoire (cinétiques des charges photo-générées sondées par mesures de décroissance de photo-courant et photo-tension en régime transitoire et processus de transferts de charges et d’énergie sondés par mesure de déclin de photoluminescence).

– Le second aspect s’orientera vers l’optimisation des architectures des cellules élaborées, en jouant notamment sur les couches d’interfaces et les géométries des dispositifs. Ces aspects seront exploitables aussi bien pour les composants hybrides que pour les composants organiques par exemple (mélanges polymères / fullerènes).

Ce travail s’inscrit dans un contexte global très dynamique qui vise à démontrer la faisabilité industrielle de nouvelles approches bas coût pour la conversion photovoltaïque. Le travail sera mené dans le cadre de différents projets financés à l’échelle nationale ou internationale, et exploitera les collaborations existantes de l’équipe Optoélectronique Plastique avec les acteurs du domaine. De nouveaux partenariats, notamment avec des acteurs industriels, pourraient être initiés au cours de ce travail.

[1] H. Melhem et al., Advanced Energy Materials 2011, 1 (5), 908-916.
[2] H. Melhem et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 2012. DOI: 10.1016/j.solmat.2012.08.017.

Objectifs scientifiques de la thèse
Les objectifs scientifiques de la thèse concernent le développement de solutions originales pour la conversion photovoltaïques de l’énergie solaire. Notamment, l’exploitation des propriétés optiques d’oxydes métalliques à faibles bandes interdites est un aspect encore très peu développé dans la littérature. D’autre part, la thèse doit permettre de préciser les mécanismes de génération et de transfert de charges au sein des couches actives, notamment au niveau des interfaces hybrides. Les techniques de caractérisation résolues en temps disponibles au laboratoire (mesures de photo-tensions/photo-courants résolus en temps et mesures de durée de vie de photoluminescence) permettront de compléter les connaissances fondamentales sur ces systèmes originaux.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issue de la thèse, le doctorant sera familier avec les principales technologies d’élaboration des composants photovoltaïques organiques et hybrides (procédés physiques et procédés en solution), ainsi qu’avec un ensemble complet de techniques de caractérisations physiques (mesures électriques, transport) et optoélectroniques (mesures de rendements de conversion de puissance, spectres de photoluminescence, propriétés optiques). Ces compétences, assez pluridisciplinaires, seront directement exploitables dans les domaines de l’électronique imprimée et de l’optoélectronique.
D’autre part, l’étudiant aura une bonne connaissance de la photo-physique des composants hybrides et des mécanismes conditionnant les performances des dispositifs.
Le travail en équipe et en collaboration avec divers partenaires nationaux et internationaux permettra de développer une méthodologie rigoureuse et adaptée à la gestion de projets.
Finalement, au travers la valorisation des résultats (publications dans des revues internationales et participation à des congrès nationaux et internationaux), l’étudiant possédera les qualités requises pour exploiter ses compétences aussi bien au niveau national qu’à l’étranger.

Mots clés (séparés par des virgules)
Energie, Cellules photovoltaïques, Cellules solaires, composants hybrides, nanocristaux, polymères, nanotechnologies, architectures, oxydes de titane
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Les candidats, d’un profil plutôt physicien, sont idéalement diplômés d’un master en relation avec les Nanosciences, les Nanotechnologies, ou l’optoélectronique en général. Des connaissances dans le domaine de la physique des semi-conducteurs ou du photovoltaïque peuvent être un avantage. Un niveau raisonnable en anglais sera apprécié, de même qu’une bonne autonomie.

Modalité de dépôt des candidatures
Prendre contact avec le directeur de thèse, Johann Bouclé (johann.boucle@unilim.fr) pour discuter du sujet.
Déposer un dossier de candidature complet en suivant la procédure décrite sur le site de l’école doctorale S2I.

Directeur de thèse
Dr. Johann Bouclé
XLIM/MINACOM
Adresse mail du directeur de thèse : [johann.boucle@unilim.fr

Téléphone Directeur de thèse : 05 87 50 67 62

Co-directeur de thèse
Dr. Bruno Lucas
XLIM/MINACOM
Adresse mail du co-directeur de thèse : bruno.lucas@unilim.fr
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thématique LABEX concernée :

  • Thème 1: Matériaux
  • Thème 2: Composants
  • Thème 7: Energie

Thèse pour Action transverse : NON

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