Vers des approches alternatives pour l’utilisation des matériau

Dans ce chapitre, nous allons présenter les différentes perspectives d’évolution de nos cellules dans le but d’aboutir à un système plus efficace.

Nous chercherons dans un premier temps à diminuer les processus de recombinaison, identifiés comme étant un facteur impactant fortement nos performances, en proposant une amélioration au niveau d’un des colorants présentés dans le chapitre précédent. La synthèse et la caractérisation de ce nouveau photosensibilisateur seront présentées.

Suite à cela, nous chercherons à optimiser des paramètres de fabrication des cellules solaires en nous intéressant à l’électrolyte et aux conditions d’imprégnation puis nous discuterons les effets sur les rendements de conversion.

Après avoir évoqué les différentes hypothèses d’amélioration du système, nous choisirons de remplacer l’oxyde de titane par des oxydes alternatifs montrant des propriétés électroniques différentes. De la même manière, nous présenterons aussi une piste de recherche visant à trouver une alternative au médiateur rédox à base d’iode nous permettant de jouer sur le processus de régénération.

Les différents rendements de conversion obtenus pour chaque changement d’un composant du dispositif seront présentés et discutés. La comparaison de ces différentes stratégies nous amènera à conclure sur la pertinence de ces alternatives et les meilleures options envisageables pour obtenir un système absorbeur proche infrarouge efficaces.

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I. Introduction

Au fil des travaux de cette thèse, nous avons pu observer que la stratégie de la réduction du gap par modification des niveaux d’énergie du colorant conduit effectivement à des colorants absorbant dans le proche infrarouge. Toutefois, leur efficacité apparaît relativement limitée, en fonction des processus d’interface (injection, régénération et recombinaisons) (Figure 150) qui se produisent dans le système TiO2/Iode étudié. Fort de ce constat, il est apparu essentiel

de modifier certains paramètres du système afin d’améliorer chacun des processus d’interface. La perspective finale consistant à élaborer un système absorbeur proche infrarouge plus efficace.

Figure 150 - Schéma représentant les différents processus d'interface

Lors du chapitre précédent, nous avons montré que la présence de molécules d’iode proche de la surface contribuait aux processus de recombinaison entre la surface de l’oxyde et le médiateur rédox en solution. Le colorant TPAT8-Iso s’est révélé être le plus efficace, principalement grâce à un niveau HOMO situé plus bas et un taux de recombinaison plus faible. Nous avons montré que l’ajout de chaines alkyles ou alkoxyalcane avait un effet bénéfique sur la gamme d’absorption du colorant et permettait de diminuer les recombinaisons Oxyde/Electrolyte par encombrement stérique1–6 _{(voir chapitre 3). C’est}

pourquoi notre première stratégie pour améliorer les performances de ces dispositifs consiste à modifier chimiquement la structure du colorant pour corriger certains paramètres de fonctionnement du dispositif. Nous avons donc choisi de modifier la structure du colorant

TPAT8-Iso par fonctionnalisation du groupe électro-riche triphenylamine dans le but d’obtenir

un colorant cible panchromatique, absorbant efficacement sur une grande gamme spectrale et présentant une meilleure protection de la surface vis-à-vis des espèces redox de l’électrolyte.

199 Figure 151 - Structure du nouveau colorant cible envisagé

Dans une deuxième partie, nous nous focaliserons sur les composants du système utilisé. Pour des colorants à grand gap, le système TiO2/Iode se révèle être performant et montre des

forces motrices d’injection et de régénération suffisantes pour produire des processus efficaces. Concernant les colorants absorbeurs proche infrarouge, les niveaux d’énergie HOMO et LUMO se trouvent positionnés à la limite du système, ce qui génère des processus de régénération et d’injection incomplets ou moins favorables. De par ce constat, il apparaît logique d’envisager le remplacement de chaque élément par des matériaux montrant des propriétés différentes, par soucis d’amélioration des processus d’injection et de régénération. Dans le cadre de nos travaux, nous avons débuté l’étude d’oxydes alternatifs au TiO2 à partir

de deux collaborations. Dans un premier temps, nous avons collaboré avec le groupe du Professeur Juan Antonio Anta de l’université Pablo de Olavide à Seville en Espagne et le groupe du professeur Gerko Oskam de l’université de Merida au Mexique pour la réalisation d’une étude de nos colorants sur oxyde de zinc. Dans un second temps, une deuxième collaboration avec le Dr. Sara Cavaliere de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier nous a permis de travailler sur des nanostructures de dioxyde d’étain formées par électrospinning.

L’oxyde de zinc et le dioxyde d’étain sont d’autres oxydes alternatifs au TiO2, présentés plus

en détails dans le chapitre 1, qui ont dévoilé des propriétés électroniques prometteuses en termes d’efficacité. En effet, la mobilité électronique de l’oxyde de zinc est 100 fois plus élevée que celle du TiO2 et peut ainsi potentiellement améliorer l’évacuation des charges et conduire

à moins de phénomènes de recombinaison. Les niveaux d’énergie de la bande de conduction de cet oxyde sont similaires à ceux du TiO2 ce qui permet d’envisager cet oxyde comme une

alternative intéressante. Le niveau de la bande de conduction du dioxyde d’étain (-4,5 eV) se positionne quant à lui plus bas que celui du TiO2 (-4 eV) ce qui fait de lui une alternative viable

comme oxyde pour des sensibilisateurs possédant un niveau d’énergie LUMO proche de la bande de conduction du TiO2.

Enfin, le processus de régénération s’est révélé être le phénomène le plus limitant pour les efficacités des colorants à base de thienothiadiazole et d’isoindigo à cause du niveau HOMO élevé de ces colorants, proche du potentiel d’oxydation du couple rédox à base d’iode. De ce fait, un médiateur alternatif à potentiel d’oxydoréduction plus haut pourrait éventuellement améliorer le processus de régénération grâce à une force motrice plus favorable. Dans la littérature, la plupart des nouveaux médiateurs rédox à base de cuivre7,8 _{ou de cobalt}9,10

affichent des potentiels d’oxydoréduction bien plus bas que celui de l’iode dans le but de fortement augmenter la VOC du dispositif. Le cas contraire a été très peu étudié et seuls