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Encres aqueuses colloïdales de semi-conducteurs organiques pour le photovoltaïque – WATER-PV

WATER-PV: Encres aqueuses colloïdales de semi-conducteurs organiques pour le photovoltaïque

La fabrication de dispositifs photovoltaïques organiques (OPV) implique l'utilisation de solvants halogénés et/ou aromatiques pour déposer la couche active. Afin de rendre cette technologie plus propre, il est nécessaire de passer à un solvant plus respectueux de l’environnement et l'eau est le meilleur candidat. Ce projet vise à développer des encres à base de dispersions colloïdales de semi-conducteurs organiques aqueuse de conception rationnelle.

Enjeux et objectif principal

Bien que des encres aqueuses de semi-conducteurs organiques aient déjà été développées et appliquées avec succès dans le domaine de l'OPV, les dispositifs fabriqués à l'aide de dispersions colloïdales à base d'eau présentent systématiquement des rendements inférieurs aux dispositifs de contrôle fabriqués à partir de solvants halogénés et/ou aromatiques. La raison de ces performances plus faible peut provenir de différentes origines : la présence de surfactant, une morphologie inappropriée des nanoparticules et/ou de la couche active. Ces différents paramètres peuvent affecter les propriétés de transport des porteurs de charge et la dissociation des excitons, et, par conséquent, auront un impact sur les propriétés photovoltaïques. Afin de développer des cellules photovoltaïques performantes à partir d'encres aqueuses, il est nécessaire d'établir les relations structure-propriétés entre la morphologie des NP de semi-conducteurs organiques et les propriétés optoélectroniques des dispositifs.<br />Le projet WATER-PV a pour objectif de dépasser ces limitations et de fabriquer des dispositifs OPV à l'état de l'art et en utilisant des encres aqueuses. Pour cela, nous développons une approche bottom-up en travaillant sur le contrôle précis des tailles et morphology des nanoparticules.

Nous travaillons sur l'élucidation des relations entre la morphologie et les propriétés optoélectroniques, d'abord à l'échelle des nanoparticules, puis sur des assemblages de NP (films minces). La compréhension du transport de charge dans ces structures guidera le développement de couches actives ayant les caractéristiques requises (mobilités élevées des trous et des électrons, transport de charge équilibré, taux de dissociation élevé des excitons). Enfin, des dispositifs OPV seront fabriqués et leurs propriétés photovoltaïques seront corrélées aux propriétés opto-électroniques de la couche active.
En résumé, le projet WATER-PV vise à établir une compréhension claire entre les caractéristiques des NP et des assemblages de NP (taille, morphologie, composition) et les propriétés opto-électroniques des dispositifs OPV. Ces connaissances nous permettront de développer des dispositifs OPV très efficaces à partir de dispersions aqueuses.

En cours

En cours

« Organic semiconductor colloids: From the knowledge acquired in photovoltaics to the generation of solar hydrogen fuel »
N. Holmes, S. Chambon, A. Holmes, X. Xu, K. Hirakawa, E. Deniau, C. Lartigau-Dagron, A. Bousquet
Current Opinion in Colloid & Interface Science, Vol. 56, p. 101511 (2021)
hal.archives-ouvertes.fr/hal-03418784v1

« Environmentally Friendly Organic Photovoltaics »
H. Laval, G. Wantz, S. Chambon
Poster, Les Houches School of Physics, Les Houches (France), 3-8 April 2022

« Fabrication de nanoparticules organiques semiconductrices par micro/milli fluidique »
G. Bonfante, A. Genot, S.H. Kim, S. Chambon
Poster, Journées Francophones de la Recherche, Online, 10/12/2021

« Fabrication of semiconducting nanoparticles assisted by 3D printed millifuidic »
G. Bonfante, A. Genot, S.H. Kim, S. Chambon
Oral, NextPV mini-symposium 2022, Online, 10/05/2022

La fabrication de composants photovoltaïques organiques (OPV) nécessite l’utilisation de solvants halogénés et/ou aromatiques pour déposer la couche active. Afin de rendre cette technologique plus propre, il est nécessaire de les remplacer par l’eau. La principale technique pour développer des encres aqueuses est de formuler des colloïdes de semiconducteurs organiques dispersés dans l’eau. Bien que cette stratégie ait déjà été mise en œuvre avec succès, les composants fabriqués à partir d’encres colloïdales aqueuse présentent des performances plus faibles que les références fabriquées à base de solvants organiques chlorés et/ou aromatiques. La raison de ces plus faibles performances peut être multiple : présence de surfactant, morphologie inappropriée des nanoparticules et/ou de la couche active.
WATER-PV a pour but de dépasser ces limites et de fabriquer des composants OPV à l’état de l’art à partir d’encres aqueuses. Pour cela, nous mettrons en place une approche ascendante, en commençant par le développement de nanoparticules de semi-conducteurs organiques de taille et de morphologie précisément contrôlées. Ensuite, les propriétés électroniques seront étudiées tout d’abord à l’échelle de la nanoparticule, puis au niveau de l’assemblage de nanoparticules (film mince) afin d’établir les relations entre la morphologie et les propriétés optoélectroniques de ces systèmes. Ces connaissances sur le transport de charges dans ces structures nous permettront de développer des couches actives à partir d’assemblage de nanoparticules ayant les propriétés électroniques requises pour les composants OPV (fortes mobilités de trous et d’électrons, transport de charge équilibré, fort taux de dissociation d’exciton). Enfin des composants photovoltaïques organiques seront fabriqués à partir des dispersions colloïdales et leur propriétés photovoltaïques corrélées aux propriétés électroniques des couches actives.
En résumé, le projet WATER-PV a comme but d’établir une compréhension claire entre les caractéristiques des NP et des assemblages de NP (taille, morphologie, composition) et les propriétés électroniques des composant OPV. Ces connaissances nous guideront pour développer des cellules photovoltaïques organiques efficaces à partir de dispersions colloïdales en base aqueuse.

Coordination du projet

Sylvain Chambon (Laboratory for Integrated Micro Mechatronics Systems)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IMS LABORATOIRE D'INTEGRATION DU MATERIAU AU SYSTEME
LIMMS Laboratory for Integrated Micro Mechatronics Systems

Aide de l'ANR 336 398 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2020 - 42 Mois

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