Nanoparticules pour la réalisation de couches de transport de trous appliquées au photovoltaïque ...

169 Pages·2017·5.3 MB·French

by  Clement Bottois

Nanoparticules pour la réalisation de couches de
transport de trous appliquées au photovoltaïque
organique
Clement Bottois
To cite this version:
Clement Bottois. Nanoparticules pour la réalisation de couches de transport de trous appliquées au
photovoltaïque organique. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Grenoble Alpes,
2015. Français. ￿NNT: 2015GREAI025￿. ￿tel-01358565￿
HAL Id: tel-01358565
https://theses.hal.science/tel-01358565
Submitted on 1 Sep 2016
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par
Clément BOTTOIS

Thèse dirigée par Jean-Paul GARANDET

préparée au sein du Laboratoire des Modules Photovoltaïques
Organiques de l’Institut National de l’Energie Solaire
et du Laboratoire de Synthèse et d’Intégration des
Nanomatériaux du CEA Grenoble
dans l'École Doctorale I-MEP2

Nanoparticules pour la
réalisation de couches de
transport de trous appliquées
au photovoltaïque organique

Thèse soutenue publiquement le 22 avril 2015,
devant le jury composé de :
M. Daniel BELLET
Professeur, LMGP-Phelma, Président
Mme Mireille RICHARD-PLOUET
Chargée de Recherche, IMN (Nantes), Rapporteur
M. Thomas HEISER
Professeur, Université de Strasbourg, Rapporteur
Mme Corine GERARDIN
Directrice de Recherche, ICGM (Montpellier), Examinatrice
M. Jean-Paul GARANDET
Chef de laboratoire, CEA-Saclay, Directeur de thèse
M. Régis PECQUET
Responsable R&D, PCAS Longjumeau, Co-encadrant de thèse
Mme Noëlla LEMAITRE
Ingénieur de recherche, CEA INES (Le Bourget du Lac), Invité
M. Konstantin TARASOV
Ingénieur de recherche, CEA Grenoble, Invité
Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP

Remerciements

Je ne peux parler de cette thèse sans évoquer ces débuts/déboires. Je tiens donc à remercier la bureaucratie
française et sa lenteur caractéristique pour m’avoir permis de vivre des moments psychologiquement
difficiles. Mais ne dit-on pas que ce qui ne nous tue pas nous rend plus fort ?

Je remercie chaleureusement Noëlla Lemaître, Konstantin Tarasov et Régis Pecquet pour l'encadrement de ce
travail, ainsi que Jean-Paul Garandet, pour avoir bien voulu chapeauter cette thèse. Leurs conseils et avis
éclairés m'ont aidé et guidé. J’ai également apprécié les discussions non-liées à la thèse que nous avons pu
avoir tout au long de ces trois années.
J’adresse ici toute ma sincère gratitude à Thomas Heiser et Mireille Richard-Plouet pour m’avoir fait
l’honneur d’être rapporteurs de ce modeste travail et à Corine Gerardin et Daniel Bellet d’avoir accepté de
participer au jury de thèse.
Je tiens également à remercier les différents chefs de laboratoire et d’équipe qui m’ont accueilli au sein de
leur unité, dont je ne me risquerai pas à nommer puisque les appellations semblent changer très rapidement
au CEA. Merci donc, à Solenn Berson pour sa bonne humeur, à Olivier Poncelet, source intarissable de
discussions et d’histoire, à Stéphane Guillerez, Rémi de Bettignies, Philippe Capron et Jean-Pierre Simonato,
ainsi qu’à Didier Schneider de PCAS.
Merci aux « collègues » de PCAS Longjumeau que je n’aurais pas suffisamment croisé : Pierre-Antoine
Bonnardel, Olivia Chignon, Sandrine Morin, Alexa Pierson et Christophe Pincebourde.
Je remercie également l’aide précieuse, face aux tâches administratives, de M’dame Baguet, Priscilla,
Gabriela, Christine et Marie-Pierre.

La réalisation de cette thèse doit également une belle part à :
- Jérôme, Tariq et Isabelle, qui m’ont laissé un peu de place dans leur boîte à gants du C4
- Denis Mariolle pour son aide précieuse avec l’AFM/KPFM ainsi que pour son humour pince-sans-
rire qui rendait mes heures au LETI plutôt agréables
- Aux dames du DEHT, Agnès Brun pour ses mesures de BET, Carole Bourbon pour ses quelques
conseils en DRX mais surtout ses discussions de couloirs toujours motivantes et bien sûr Claude
Chabrol qui réalise (ah ah) de magnifiques diffractogrammes RX et dont la gentillesse et la
disponibilité sont aussi grandes que son sourire ! On était toujours bien accueilli au C1 au bout de
l’aile B !
- Aux différentes personnes qui m’ont également formé sur des équipements divers et variés ou qui
m’ont prodigué des conseils et que j’ai oublié ici de nommer…

Cette expérience fut riche en enseignement, mais elle le fût également en rencontres. Il serait trop long
d’adresser à tous les compliments qu’ils méritent. Je tiens tout de même à exprimer à mes collègues mes plus
chaleureuses salutations. Côté Grenoble d’abord. Il n’est pas très heureux de séparer les filles des garçons et
les féministes les plus redoutables me tomberont certainement dessus, à raison, mais cela impose à ma
mémoire un effort moins important. Merci donc à SakSak l’amie des thésards, Stéphanie « Cambridge »
Desrousseaux, Caroline Celle (voleuse de bureau !), Chloé « Quechiz » Blondeau, Aurore « Capitaine »
Marcellini, Céline « X-Mas », Anne Zi, Stouffi (et les montées à la Bastille à 6h du mat’), Sonia, Chloé S.,
Sylvie (merci pour XRF), Marilyne (le MEB et la piscine !), Emilie, Angela et bien sûr Véronique. Merci
également à Aurélien « Go Norwich » Auger, Jonathan «le Dijerrois» Skrzypski, Jean-Gabriel
« l’authentique corse », Daniel « le papa du labo », Fifi « le cinéphile », Gilles, Pascal, Tristan, Sébastien P.,
Sébastien J., Christophe, Simon, Bertrand, Brice, Alexandre, Oliver Fox, Bruno ainsi qu’à mon co-bureau
des premiers instants Samuel, et bien sûr Nono et sa sempiternelle bonne humeur !
Mes allers-retours réguliers à Chambéry n’auraient pas été aussi motivants et enjoués sans la présence de :
l’irremplaçable Matthieu « Sa Mancerie », ami du sport et de l’expression francisée, l’S.Cros de service,
râleur devant l’éternel, Bobo le sportif, toujours motivé, Speedy Marion, sa bonne humeur et son oreille
attentive, Coolette l’ouragan de joie, Anaïs et sa méthode brevetée de nettoyage de la tournette, Aurélie et ses
repas « bonne nouvelle », Florence, « le faux » Clément, Muriel « la MuM », Caroline, Nathalie N., Nathalie
B., Pascal, Marion « bon public » G., Anthony, Fabien, et les différents stagiaires qui ont peuplé ce
laboratoire.
Je salue également les amis thésards de Grenoble ou Chambéry pour les échanges d’expériences
malheureuses ou de blagues plus ou moins drôles : Thibaut pour avoir partagé son bureau pendant un an,
Théo même s’il vient de CP, Balzinzin « The Oak » et ses avis pertinents, Pat l’incarnation de Boston et ses
casquettes indémodables, Mélodie Chaperon et sa joie communicative, sans oublier Mathilde et Nico W pour
les quelques mois passés ensemble au LCSN.

Je me dois de rendre un vibrant hommage aux Grenoblois qui m’ont rendu la vie plus agréable en dehors du
boulot. Thomtom, dont je ne pourrai pas souligner assez l’importance dans les moments difficiles, les
biologistes autant qu’elles sont : Eglantine Meï, Morgane et Jo, Mélissa et Sylvain, Florie, Stéphanie,
Boubou et Pauline, et tous les autres des afterworks. Merci également aux PC1 grenoblois et notamment à
Dorian de la coloc la plus classe du monde. Sans oublier Caroline et Thomas, les premiers sur le pont à mon
arrivée à Grenoble, soutiens d’importance dans mes heures sans collègues (et leurs fameuses soirées).
Merci également aux footeux du mercredi, aux camarades du handball, les randonneurs (François !) et bien
sûr aux apnéistes (Subatomic, CPAE et GUC) et leur merveilleuse ambiance.
Il serait ingrat de ma part d’évoquer cette thèse sans les PC1, qui sont toujours là pour moi comme j’espère
être là pour eux. Ils sont trop nombreux pour être tous nommés ici, mais je pense en particulier à Paul, Mac,
Perrine, Brice et Jimi. Merci également à ceux qui sont là depuis le bac et même avant (la Normandie en
force).

Je ne peux finir sans évoquer l’importance de ceux qui, depuis maintenant bien longtemps, m’ont toujours
fait sentir leur présence bienveillante, surtout dans les moments de grande détresse (cf. paragraphe n°1). Je
veux bien sûr parler de ma famille : mes grands-parents, tantes, oncles, cousin, cousines, ma marraine et mon
parrain, en finissant par mes chers parents, Andrée et Dominique ainsi que mon grand frère Vincent et sa
petite Camille.

Table des matières

Introduction générale ............................................................................................. 7
Chapitre 1 : Etude bibliographique ................................................................. 11
I. Le photovoltaïque organique .................................................................................. 11
I.1 Principe de fonctionnement ................................................................................................ 11
I.1.1 L’effet photovoltaï(cid:395)ue ............................................................................................. 11
I.1.2 Grandeurs caractéristiques ....................................................................................... 12
I.2 Structure des cellules photovoltaïques organiques ................................................... 14
I.2.1 La couche active ....................................................................................................... 14
I.2.2 Transport des charges, électrodes et substrat ........................................................... 15
I.2.3 Structures ................................................................................................................ 16
I.3 Performances et stabilité des cellules solaires organiques..................................... 17
I.3.1 Performances actuelles ............................................................................................ 17
I.3.2 Stabilité ................................................................................................................... 17
I.3.2.1 Un facteur peu étudié ............................................................................................................ 17
I.3.2.2 Dégradations des cellules ....................................................................................................... 18
I.3.2.3 Dégradations spécifique à la couche formée de PEDOT:PSS .................................................. 19
II. Matériaux inorganiques pour le transport des trous dans les cellules
solaires organiques ........................................................................................................... 19
II.1 Généralités................................................................................................................................. 19
II.1.1 Rôles des (cid:272)ou(cid:272)hes d’i(cid:374)te(cid:396)fa(cid:272)e ............................................................................... 19
II.1.2 Propriétés des matériaux utilisés comme couches de transport ............................. 20
II.1.3 Co(cid:374)du(cid:272)tivit(cid:288) et (cid:373)(cid:288)(cid:272)a(cid:374)is(cid:373)es d’e(cid:454)t(cid:396)a(cid:272)tio(cid:374) de (cid:272)ha(cid:396)ges pou(cid:396) les (cid:272)ou(cid:272)hes de t(cid:396)a(cid:374)spo(cid:396)t
de trous 21
II.1.3.1 E(cid:454)t(cid:396)a(cid:272)tio(cid:374) de t(cid:396)ous da(cid:374)s le (cid:272)as d’u(cid:374) (cid:373)at(cid:288)(cid:396)iau de t(cid:455)pe p ....................................................... 21
II.1.3.2 E(cid:454)t(cid:396)a(cid:272)tio(cid:374) de t(cid:396)ous da(cid:374)s le (cid:272)as d’u(cid:374) (cid:373)at(cid:288)(cid:396)iau de t(cid:455)pe (cid:374) ....................................................... 21
II.2 Oxydes de métaux de transition ........................................................................................ 22
II.2.1 Avant-propos et premiers pas ............................................................................... 22
II.2.1.1 Notatio(cid:374)s et stœ(cid:272)hio(cid:373)(cid:288)t(cid:396)ie ................................................................................................... 22
II.2.1.2 Bref historique ........................................................................................................................ 23
1