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Theses Year : 2017

Synthesis and studies of visible-near infrared absorbing organic materials for hybrid solar cells

Synthèse et études de matériaux organiques absorbeurs visible-proche infrarouge pour la réalisation de cellules solaires hybrides

Cyril Aumaitre

Abstract

On a global scale, the share of renewable energies in the energy mix is constantly increasing. Based on the principle of photosynthesis, Dye-Sensitized Solar Cells are an emerging technology for Building Integration Photovoltaic (BIPV). These hybrid cells use an inorganic semiconductor oxide whose surface is covered with an organic dye. The absorption of the incident light by this dye will cause the injection of an electron from the photo-excited state of the molecule into the conduction band of the oxide. A redox mediator present in the electrolyte will regenerate the oxidized dye and generate a current under illumination. The dyes already described in the literature shows efficiencies reaching 14%. On the other hand, very few of these materials can absorb up to the near infrared range (NIR) (700-1000 nm). Thereby, the absorption of the NIR spectral range could lead to a greater photo-generated current density. In this context, this work presents a complete study of new panchromatic dyes extending into the near infrared range. For this study, the "donor-acceptor" approach was used to obtain the desired optoelectronic properties. A first family based on benzothiadiazole derivatives has been developed leading to very good absorption properties in the NIR region (absorption up to 925 nm). The optical, electrochemical and photovoltaic properties of these materials have been studied in order to understand the limitations for solar cell applications. Following this, a new dye family based on isoindigo derivatives was synthesized and studied by UV-Visible spectroscopy, electrochemistry and DFT simulation. These compounds strongly absorbs in the UV-visible and NIR spectral range up to 848 nm. The dyeing bath composition and the electrolyte formulation were optimized in order to obtain a device conversion efficiency of 5.76%. Photophysical measurements have allowed us to have a fine understanding of the limiting factors of these dyes. On the basis of this observation, we improved the structure of one of the dye and witg this new molecule we reached a power conversion efficiency of 7.0% with a UV-Visible and near infrared absorption for the solar cell. In the last part of this work we have also obtained preliminary results employing various alternative materials to the TiO2/iodine system.
A l’échelle mondiale, la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique est de plus en plus importante. Basées sur le principe de la photosynthèse, les cellules solaires à colorant sont une des technologies émergentes viables pour une intégration en bâtiment. Ces cellules hybrides utilisent un oxyde semi-conducteur inorganique dont la surface est recouverte d’un colorant organique. L’absorption de la lumière incidente par ce colorant va provoquer l’injection d’un électron de l’état photo-excité de la molécule dans la bande de conduction de l’oxyde. Un médiateur rédox présent dans l’électrolyte va venir régénérer le colorant oxydé et générer un courant sous illumination. Les colorants déjà décrits dans la littérature présentent déjà des rendements de conversion pouvant atteindre 14 % mais très peu de ces matériaux peuvent absorber jusque dans la gamme proche infrarouge (700-1000 nm). Pourtant l’absorption des photons de cette gamme spectrale pourrait mener à une plus grande densité de courant générée et à de meilleures performances globales. Dans ce contexte, ce travail présente une étude complète de nouveaux colorants absorbeurs panchromatiques capable de collecter des photons jusque dans la gamme proche infrarouge. Pour cela, l’approche « donneur-accepteur » a été utilisée afin d’obtenir les propriétés optoélectroniques désirées. Une première famille à base de dérivés du benzothiadiazole a été développée conduisant à de très bonnes propriétés d’absorption dans la gamme proche infrarouge (absorption jusqu’à 925 nm). Les propriétés optiques, électrochimiques et photovoltaïques de ces matériaux ont été étudiées afin de comprendre les limitations de ces matériaux pour une application en cellules solaires. Suite à cela, une nouvelle famille de colorant à base de dérivés de l’isoindigo a été synthétisée et étudiée par spectroscopie UV-Visible, électrochimie et simulation DFT. Ces composés absorbent fortement dans la gamme UV-visible et proche infrarouge jusqu’à 848 nm. Après avoir optimisé les conditions d’imprégnation et de formulation de l’électrolyte, nous avons atteint un rendement de conversion en dispositif de 5,76%. Des mesures photophysiques nous ont permis d’avoir une compréhension fine des facteurs limitant l’efficacité de conversion de ces colorants. Fort de ce constat, nous avons amélioré la structure d’une des molécules pour atteindre un rendement de 7,0 %. Nous avons aussi de manière prospective testé différents matériaux alternatifs au système TiO2/iode classiquement utilisé.
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Cite

Cyril Aumaitre. Synthèse et études de matériaux organiques absorbeurs visible-proche infrarouge pour la réalisation de cellules solaires hybrides. Biotechnologies. Université Grenoble Alpes, 2017. Français. ⟨NNT : 2017GREAV050⟩. ⟨tel-01900132⟩
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