Soutenance de thèse de Kekeli N'KONOU

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Micro et Nanoélectronique »
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
nanoparticule de type coeur-coquille métal-diélectrique,cellule solaire organique,plasmonique,modélisation FDTD,absorption,
Keywords
metal-dielectric core-shell nanoparticle,organic solar cell,plasmonics,modeling FDTD,Absorption,
Titre de thèse
Nanostructures plasmoniques de type cœur-coquille métal-diélectrique pour cellules photovoltaïques organiques
Plasmonic metal-dielectric core-shell nanostructures for organic photovoltaic cells
Date
Mercredi 18 Avril 2018 à 10:00
Adresse
Campus Scientifique de Saint-Jérôme à Marseille 52 Avenue Escadrille Normandie Niémen - 13397 Marseille Cedex 20
Salle des thèses
Jury
Directeur de these Philippe TORCHIO IM2NP-Université d'Aix-Marseille
Examinateur Kossi NAPO LES-Université de Lomé (Togo)
Examinateur Jean-Christian BERNEDE MOLTECH-Anjou-Université d'Angers
Examinateur Olivier MARGEAT CINaM -Université d'Aix-Marseille
Rapporteur Marie-Paule BESLAND IMN-Université de Nantes
Rapporteur Thomas HEISER ICube-Université de Strasbourg

Résumé de la thèse

L'une des approches pour améliorer les performances des cellules solaires organiques, sans augmenter l'épaisseur de la couche photo-­active, consiste à incorporer des nanoparticules (NPs) métalliques dans cette couche ou à proximité pour bénéficier de la diffusion de la lumière incidente ou de résonances de plasmons de surface localisés. Cependant, ces NPs métalliques peuvent engendrer des recombinaisons des porteurs de charges électriques, créer des court-­circuits ou favoriser l'extinction des excitons au contact du métal. Une solution est alors de protéger ces NPs métalliques par un revêtement diélectrique (coquille ou couche fine). L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de nanostructures de type cœur–coquille (métal-­diélectrique) sur les performances optiques et photoélectriques de cellules solaires organiques, à l'aide de modélisations numériques et de réalisations expérimentales. Dans un premier temps, une étude numérique prédictive, basée sur une modélisation par méthode FDTD, nous a permis d'analyser l'influence de paramètres architecturaux (structure standard ou inverse, espaceur optique, position des NPs, etc.) et opto­géométriques (diamètre des NPs, période du réseau de NPs, épaisseur de la coquille diélectrique, épaisseur de la couche active, nature des matériaux, etc.) sur les propriétés optiques de cellules solaires plasmoniques. Il a par exemple été démontré que la position optimale du réseau de NPs au sein d'une cellule inverse serait située sur la couche interfaciale cathodique. Par la suite, nous avons synthétisé et caractérisé des nanosphères (NSs) avec un cœur métallique en argent ou en or recouverts d'une fine coquille de silice. L'incorporation de NSs Ag@SiO2 synthétisées (voie humide) ou de NPs Ag/SiO2 déposées par évaporation (voie sèche) dans des cellules solaires à architecture inverse ont permis d'augmenter le photocourant de 12% ou de 18% respectivement par rapport à la cellule de référence (sans NSs).

Thesis resume

One of the approaches to improve the organic solar cells performance without increasing the thickness of the photoactive layer is to incorporate metallic nanoparticles (NPs) in this layer or in its proximity to have benefit from light scattering or localized surface plasmon resonance effects. However, these NPs can generate charge carriers recombination, short circuits or exciton quenching due to the contact with the metal. A solution is then to coat these MNPs with a dielectric (thin shell or layer) to protect them. The objective of this thesis is to study the influence of metal­dielectric core­shell nanostructures on the optical and photoelectric performances of organic solar cells, by using numerical modeling and experiments. First, a predictive numerical analysis by FDTD modeling allowed us to optimize the influence of architectural (standard or inverted structure, optical spacer, position of NPs, etc.) and opto­geometric (metal core size, period of the NPs array,dielectric shell thickness, active layer thickness, nature of materials, etc.) parameters on optical properties of plasmonic organic solar cells. For example, it has been demonstrated that the optimal position of the NPs array inside an inverted organic solar cells would be located on the cathodic interfacial layer. Silver or gold core nanospheres (NSs) coated witha thin silica shell were synthesized and characterized. Finally, the integration of chemically synthesized Ag@SiO2 NSs (wet process) or Ag/SiO2 NPs deposited by evaporation (dryprocess) in inverted organic solar cells have increased the photocurrent by 12% or 18%, respectively, compared to reference cell (without NSs).