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SCM organiques

Thème Semi-conducteurs en Couches Minces pour le Photovoltaïque : Semi-conducteurs organiques


Cette filière est celle qui se situe le plus en amont dans nos recherches sur ce thème. Afin de mieux asseoir la validité de nos interprétations des mesures de spectroscopie d'admittance, technique moins utilisée jusqu'alors pour la caractérisation de semiconducteurs organiques que celle des semiconducteurs minéraux, nous avons suivi une démarche similaire à celle développée pour l'étude des dispositifs à base de CIGS, en poussant les corrélations avec les résultats des mesures de transport. Nous avons appliqué cette démarche à deux types de semiconducteurs organiques: des petites molécules à base de métalo-phthalocyanines de Cuivre (CuPc), fabriquées dans le cadre d'une ACI CNRS avec le Laplace de Toulouse (LGET), et un polymère, la polyaniline (PANI), fabriqué à l'Université de Sao Paulo dans le cadre d'une collaboration avec un ancien post-doctorant formé au LGEP. Pour ces deux types de matériaux, nous avons montré l'intérêt et la validité de nos techniques de caractérisation, en déterminant les densités de certains défauts électriquement actifs et en analysant le mécanisme de transport de charges [ACL.4.27].

Perspectives :


Nos travaux s'inscriront principalement dans le cadre de trois actions. La première, déjà en cours (projet ANR CONAPOSOL 12/2006-11/2009), porte sur des cellules à base d'un absorbeur composite formé de nanotubes de carbone fonctionnalisés et orientés dans une matrice polymère. L'objectif est ici de chercher à pallier l'inconvénient de la faible longueur de diffusion des excitons des polymères semiconducteurs en réalisant des hétérojonctions de volume entre le nanotube et la matrice. Notre contribution porte plus particulièrement sur la recherche des signatures des nanotubes sur les défauts électriquement actifs et sur leur impact sur les propriétés de transport électronique et le rendement photovoltaïque de la cellule. À partir de la réponse capacitive des dispositifs, nous avons déjà observé certains effets liés à la présence des nanotubes non orientés traduisant la présence des hétérojonctions de volume. Ce travail, qui fait l'objet de la thèse de Peiqing YU (démarrée en mars 2007), va se poursuivre sur des cellules mettant en œuvre différentes concentrations de nanotubes orientés. La deuxième action est un nouveau projet développé à partir de la rentrée 2008-2009 dans le cadre d'une allocation de recherche du Ministère obtenue via l'École doctorale SMAE de l'UPMC sur le contingent réservé aux thématiques prioritaires. Deux collaborations principales, l'une à l'échelon national et l'autre à l'échelon international, sont développées autour de ce projet. La première fait intervenir l'INES (Institut National de l'Énergie Solaire au Bourget du Lac) pour la réalisation de cellules solaires organiques à structure inverse et la deuxième, le Département de Chimie de l'Imperial College de Londres. L'objectif de la première collaboration est de résoudre un problème des structures classiques sur verre, en réalisant des cellules solaires organiques à partir d'un support métallique, et d'étudier les propriétés électriques des différentes interfaces. En effet, alors que classiquement les cellules solaires organiques sont élaborées à partir de supports transparents conducteurs tels que du verre ou du plastique recouvert d'une fine couche d'un oxyde tel que l'ITO, cette structure pose des problèmes dès que l'on veut augmenter la taille des cellules notamment en raison d'une résistance de surface élevée de l'ITO. Une solution consiste à construire la cellule à partir d'un substrat métallique qui présente un certain nombre de propriétés intéressantes, telles que conductivité électrique, flexibilité, protection vis-à-vis de l'oxygène et de la vapeur d'eau. Dans le cadre de la collaboration avec l'Imperial College, nos objectifs seront davantage tournés vers le compréhension fine des mécanismes de transport et de leur impact à la fois sur les interprétations théoriques des techniques de spectroscopie d'admittance et sur le rendement photovoltaïque des cellules. Cette étude sera réalisée à partir du système P3HT:PCBM (poly3 hexylthiophène: dérivé du fullérène C60) qui détient le record de rendement de la filière organique actuellement (5%). Nos compétences en caractérisation électrique des propriétés de transport sont bien complémentaires de celles du Département de Chimie de l'Imperial College qui possède en effet une reconnaissance internationale dans le domaine de la synthèse de semiconducteurs organiques en vue de leurs applications en électronique et qui travaille en particulier sur le système P3HT:PCBM. Cette collaboration sera favorisée par le recrutement de la nouvelle doctorante retenue sur ce thème, pour lequel nous avons obtenu l'allocation de recherche prioritaire signalée plus haut, puisque cette doctorante a effectué un stage de Master de longue durée au sein même de ce Département de l'Imperial College.

D'une façon plus générale, ces travaux sur la thématique «Semiconducteurs organiques pour le photovoltaïque» bénificieront aussi du recrutement récent d'un nouveau Maître de Conférence en la personne d'Arouna Darga, ancien doctorant et post-doctorant au LGEP, qui effectuait déjà son enseignement en tant qu'ATER à l'UPMC. En particulier, en collaboration avec l'équipe MDMI du LGEP, qui possède l'expertise du domaine des micro-ondes et en complément des techniques basse fréquence jusqu'au MHz que nous avons développées, une des tâches d'Arouna Darga est d'adapter et de développer des techniques fréquentielles large bande (40 Hz à 10 GHz) et temporelles (TRMC, Time Resolved Microwave Conductivity) pour analyser les différents mécanismes de conduction dans les matériaux (conduction inter-chaines ou intra-chaines). De plus, combinées à une excitation adjointe (lumineuse, électrique ou thermique), ces techniques de caractérisation sans contact seront utilisées pour étudier l'efficacité de la séparation de charges dans le cas d'une jonction, l'orientation de nanotubes de carbone dans le cas de matériaux composites polymères-NTC et les mécanismes de transition de phase.