Capteurs photovoltaïques/photo-détecteurs à base de pérovskites imprimables pour micro-sources pour réseau de capteurs autonomes et/ou dispositifs de positionnement

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Capteurs photovoltaïques/photo-détecteurs à base de pérovskites imprimables pour micro-sources pour réseau de capteurs autonomes et/ou dispositifs de positionnement
Publication du sujet sur le site de l’ABG : NON
Nature du financement : Financement organisme (CNRS, DGA, ESA, CNES, ADEME, …)
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Faculté des Sciences et techniques Limoges / Site de la borie
Date Limite de candidature : 10/05/2014
Laboratoire d’accueil : XLIM/MINACOM

Présentation de l’équipe de recherche
Le projet Optoélectronique Plastique est impliqué dans la recherche expérimentale et amont sur l’électronique organique, depuis la réalisation des dispositifs, leur caractérisation optoélectronique, jusqu’à la modélisation de leurs propriétés physiques.
Le domaine de l’électronique organique comprend diverses technologies faisant intervenir des dispositifs de base:
– Diodes électroluminescentes dans le domaine des écrans plats et de l’éclairage basse consommation
– Transistors à effet de champs dans les circuits logique –mémoire (RFID)
– Cellules solaires pour alimenter des appareils nomades ou pour usage domestique non connecté au réseau
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.

Résumé de la thèse en français
Les pérovskites constituent une rupture technologique dans le domaine des cellules solaires de troisième génération, avec des dispositifs ayant un rendement démontré autour de 15% 1,2] dès les premières années de recherche. Cette rupture vient du fait que ces matériaux associent les propriétés de simplicité de mise en œuvre des matériaux organiques, sans en avoir les défauts (faible mobilité de charges, faible longueur de diffusion excitonique, faible domaine d’absorption). De ce fait, des structures planaires ont déjà été réalisées avec des rendements de l’ordre de 10% concurrençant les meilleures cellules solaires organiques à hétérojonctions volumiques 2,3]. D’un point de vue applicatif, les cellules solaires à base de pérovskites, élaborées à relativement bas coût et à haut rendement, conviennent bien pour des applications de type micro-sources pour capteurs autonomes, avec une masse spécifique en énergie (énergie/masse de capteur) sans doute inégalée jusqu’à présent. Le type de capteur autonome envisagé, et qui fait l’objet d’une feuille de route dans le cadre du LabEx ΣLIM, devrait bien convenir pour un déploiement rapide en réseau. Des applications en domotique (gestion de l’énergie) ou militaires (surveillance d’une zone géographique) sont envisagées. Avec de tels micro-sources, et compte tenu du type de capteur à faible consommation envisagé dans le cadre du LabEx, des cellules de l’ordre de la dizaine de cm² (3X3 cm²) pourrait permettre une transmission de l’information du capteur toutes les 25 secondes, ou toutes les 5 minutes pour de plus petits capteurs de 1 cm² en usage extérieur. Un autre aspect d’intérêt de ce type de dispositif concerne la photo-détection, et plus particulièrement l’effet photovoltaïque latéral, qui permet notamment des applications de positionnement précis (AFM, micromanipulation, etc…), mais aussi d’alignement optique à distance ou de machine-outil, de vision robotique et d’instrumentation médicale.
L’aspect que nous proposons d’étudier, et qui fait l’objet du sujet de thèse, est la faisabilité de tels dispositifs par technologie d’impression. Pour cela il est nécessaire de conditionner ces pérovskites soit sous forme de nanoparticules (NP), soit sous forme de précurseurs organiques-inorganiques en solution qui seront formulées en encres d’impression. Le candidat étudiera dans un premier temps la formulation et la rhéologie des encres contenant les nanoparticules ou les précurseurs de pérovskites compatibles avec les technologies d’impression. La caractérisation des propriétés morphologiques, électroniques et optiques des couches obtenues par impression sera effectuée au laboratoire et avec des partenaires extérieurs.
Le candidat devra de plus assurer au laboratoire la réalisation des dispositifs de tests, avec qualification dans un premier temps des couches actives et d’interface par des procédés de laboratoire (spin-coating), puis assurer la transposition aux technologies d’impression. Les performances des cellules solaires et des détecteurs seront également évaluées au laboratoire. Cela sera fait à partir de dispositifs de test d’architecture et de géométrie spécifiquement dimensionnées pour les applications visées: composants de type « sandwich » pour les cellules solaires, et sandwich plus électrodes planaires localisées dans le cas de la photo-détection utilisant l’effet photovoltaïque latéral. Les rendements des dispositifs seront évalués en éclairement standard AM1.5 dans le cas des cellules solaires et à diverses longueurs d’ondes pour les photo-détecteurs. Pour ces derniers les études de positionnement sous illumination ponctuelle seront effectuées à l’aide d’un dispositif de type LBIC disponible au laboratoire.
L’environnement de cette étude s’appuiera sur un consortium regroupant deux groupes de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, le PPSM pour le développement des NP de pérovskites et le laboratoire Aimé Cotton pour les caractérisations photophysiques, une EA de l’Université de Tours pour la synthèse de verres moléculaires innovants pour former des jonctions efficaces avec les pérovskites, l’IM2NP de Marseille pour la caractérisation et la modélisation optique des dispositifs, et enfin XLIM pour l’architecture des dispositifs, leurs procédés de fabrication par impression et leur caractérisation avancée. La thèse sera exclusivement menée au sein d’XLIM pour le développement des applications à visées militaires décrites précédemment.
[1] Burschka, J. et al, Nature 2013, 499, 316–319.
[2] Liu, M.et al, Nature 2013, 501, 395–398.
[3] Eperon, G. E. et al, Adv. Func. Mat. 2014, 24, 151-157

Résumé de la thèse en anglais
Perovskites recently demonstrated a technological breakthrough in the field of third generation solar cells, associated with power conversion efficiencies above 15% [1,2]. These perovskite solar cells are developed at relatively low cost and present high efficiencies, making them suitable for applications such as micro-sources for self-powered sensors. Home automation (energy management), photo-detection applications, or military applications (surveillance of a geographic area) can be also considered.
The aspect that we propose to study in the context of the PhD studentship, is the feasibility of such devices by printing technology. To this end, it is necessary to synthesize the perovskite materials in the form of nanoparticles, or in the form of inorganic-organic precursor solutions or inks. The successful candidate will first study the formulation and the rheology of such perovskite inks in order to adapt them to low cost printing technologies such as ink-jet. Then, the characterization of the morphologic, electronic and optical properties of the deposited perovskite films will be performed, both at the XLIM Research Institute, and with external academic partners. The candidate will finally ensure the implementation and optoelectronic characterization of test devices at the laboratory scale.
This research program will be developed through an academic consortium driven by the XLIM Research institute in Limoges (France), and which involves two groups of the “Ecole Normale Supérieure de Cachan” (the PPSM laboratory and the Aimé Cotton laboratory, Paris), the PCM2E group from the University of Tours, and the IM2NP Research institute (Marseille).

[1] Burschka, J. et al, Nature 2013, 499, 316–319.
[2] Liu, M.et al, Nature 2013, 501, 395–398.
[3] Eperon, G. E. et al, Adv. Func. Mat. 2014, 24, 151-157

Description complète du sujet de thèse
Les pérovskites constituent une rupture technologique dans le domaine des cellules solaires de troisième génération, avec des dispositifs ayant un rendement démontré autour de 15% [1,2] dès les premières années de recherche. Cette rupture vient du fait que ces matériaux associent les propriétés de simplicité de mise en œuvre des matériaux organiques, sans en avoir les défauts (faible mobilité de charges, faible longueur de diffusion excitonique, faible domaine d’absorption). De ce fait, des structures planaires ont déjà été réalisées avec des rendements de l’ordre de 10% concurrençant les meilleures cellules solaires organiques à hétérojonctions volumiques [2,3]. D’un point de vue applicatif, les cellules solaires à base de pérovskites, élaborées à relativement bas coût et à haut rendement, conviennent bien pour des applications de type micro-sources pour capteurs autonomes, avec une masse spécifique en énergie (énergie/masse de capteur) sans doute inégalée jusqu’à présent. Le type de capteur autonome envisagé, et qui fait l’objet d’une feuille de route dans le cadre du LabEx ΣLIM, devrait bien convenir pour un déploiement rapide en réseau. Des applications en domotique (gestion de l’énergie) ou militaires (surveillance d’une zone géographique) sont envisagées. Avec de tels micro-sources, et compte tenu du type de capteur à faible consommation envisagé dans le cadre du LabEx, des cellules de l’ordre de la dizaine de cm² (3X3 cm²) pourrait permettre une transmission de l’information du capteur toutes les 25 secondes, ou toutes les 5 minutes pour de plus petits capteurs de 1 cm² en usage extérieur. Un autre aspect d’intérêt de ce type de dispositif concerne la photo-détection, et plus particulièrement l’effet photovoltaïque latéral, qui permet notamment des applications de positionnement précis (AFM, micromanipulation, etc…), mais aussi d’alignement optique à distance ou de machine-outil, de vision robotique et d’instrumentation médicale.
L’aspect que nous proposons d’étudier, et qui fait l’objet du sujet de thèse, est la faisabilité de tels dispositifs par technologie d’impression. Pour cela il est nécessaire de conditionner ces pérovskites soit sous forme de nanoparticules (NP), soit sous forme de précurseurs organiques-inorganiques en solution qui seront formulées en encres d’impression. Le candidat étudiera dans un premier temps la formulation et la rhéologie des encres contenant les nanoparticules ou les précurseurs de pérovskites compatibles avec les technologies d’impression. La caractérisation des propriétés morphologiques, électroniques et optiques des couches obtenues par impression sera effectuée au laboratoire et avec des partenaires extérieurs.
Le candidat devra de plus assurer au laboratoire la réalisation des dispositifs de tests, avec qualification dans un premier temps des couches actives et d’interface par des procédés de laboratoire (spin-coating), puis assurer la transposition aux technologies d’impression. Les performances des cellules solaires et des détecteurs seront également évaluées au laboratoire. Cela sera fait à partir de dispositifs de test d’architecture et de géométrie spécifiquement dimensionnées pour les applications visées: composants de type « sandwich » pour les cellules solaires, et sandwich plus électrodes planaires localisées dans le cas de la photo-détection utilisant l’effet photovoltaïque latéral. Les rendements des dispositifs seront évalués en éclairement standard AM1.5 dans le cas des cellules solaires et à diverses longueurs d’ondes pour les photo-détecteurs. Pour ces derniers les études de positionnement sous illumination ponctuelle seront effectuées à l’aide d’un dispositif de type LBIC disponible au laboratoire.
L’environnement de cette étude s’appuiera sur un consortium regroupant deux groupes de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, le PPSM pour le développement des NP de pérovskites et le laboratoire Aimé Cotton pour les caractérisations photophysiques, une EA de l’Université de Tours pour la synthèse de verres moléculaires innovants pour former des jonctions efficaces avec les pérovskites, l’IM2NP de Marseille pour la caractérisation et la modélisation optique des dispositifs, et enfin XLIM pour l’architecture des dispositifs, leurs procédés de fabrication par impression et leur caractérisation avancée. La thèse sera exclusivement menée au sein d’XLIM pour le développement des applications à visées militaires décrites précédemment.
[1] Burschka, J. et al, Nature 2013, 499, 316–319.
[2] Liu, M.et al, Nature 2013, 501, 395–398.
[3] Eperon, G. E. et al, Adv. Func. Mat. 2014, 24, 151-157

Objectifs scientifiques de la thèse
Développement de capteurs photovoltaïques/photo-détecteurs à base de pérovskites imprimables pour micro-sources pour réseau de capteurs autonomes et/ou dispositifs de positionnement

Compétences à l’issue de la thèse
Le candidat aura l’opportunité d’évoluer en abordant aussi bien des concepts théoriques que pratiques. Ainsi, un spectre très large de compétences pourra être acquis à la fin de la thèse dont les principales seront:
– la fabrication de dispositif photovoltaïque et de photodétecteur sur substrat flexible par impression
– la caractérisation optique (spectre UV-Visible), électrique (mesure de conductivité, mesure courant-tension, réponse spectrale) et morphologique (profilomètre, microscope à force atomique) de dispositifs

Mots clés (séparés par des virgules)
Perovskite, Solar cells, Photovoltaic, Sensors, Micro-sources, Printing
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : OUI

Expérience/profil souhaité(e)
Le candidat devra avoir un profil physico-chimiste. De bonnes connaissances en physique des dispositifs et en propriétés électroniques et optiques des matériaux sont recommandées.

Modalité de dépôt des candidatures
Envoyez un CV détaillé, une lettre de motivation et les relevés de notes à: bernard.ratier@xlim.fr, johann.bouclé@xlim.fr ou sylvain.vedraine@xlim.fr

Directeur de thèse
Pr. Bernard Ratier
Adresse mail du directeur de thèse : [bernard.ratier@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05 87 50 67 44

Co-directeur de thèse
Sylvain Vedraine
Adresse mail du co-directeur de thèse : sylvain.vedraine@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 87 50 67 45
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Fichier annexe (pdf) : Sujet_de_these_XLIM

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