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NOXOMIX : Nouveaux oxydes de titane faible gap et nouveaux composés organiques conjugués pour cellules photovoltaïques hybrides à concepts mixtes Johann Bouclé XLIM (UMR 725) CNRS/Université de Limoges NOXOMIX / 2013-2014 1. Présentation du projet Nouveaux oxydes de titane faible gap et nouveaux composés organiques conjugués pour cellules photovoltaïques hybrides à concepts mixtes - NOXOMIX Projet Exploratoire dans le domaine de l’Energie (AAP 2013) Consortium Porteur : Partenaire : Institut XLIM (UMR 7252), Université de Limoges CNRS Johann Bouclé SPRAM UMR CEA-CNRS-UJF 5819, Grenoble Renaud Demadrille 2 NOXOMIX / 2013-2014 2. Objectifs du projet Domaine des cellules photovoltaïques hybrides (organique/inorganique) Cellules sensibilisées à colorants solides (ssDSSC) Hétérojonctions hybrides Etat de l’art : η = 7.2% (solide) Burschka et al., J. Am. Chem. Soc. 133 (2011) 18042 Etat de l’art : η = 4% Ren et al., Nano Letters 11 (2011) 3998 3 NOXOMIX / 2013-2014 2. Objectifs du projet Objectifs principaux Panchromatisme Mécanismes alternatifs de génération de charges Composants à l’état solide Synthèse de molécules organiques d’intérêt pour le PV (SPRAM) Colorants, Conducteurs de trous Nouveaux oxydes à faible gap et nanocomposites (XLIM) TiO2 dopé, composites TiO2/nanotubes de carbone Association des deux approches = concepts mixtes de cellules hybrides 4 NOXOMIX / 2013-2014 3. Plan de travail et méthodes Synthèse de molécules organiques d’intérêt pour le PV (SPRAM) Colorants : groupements conjugués variés molécules panchromatiques Arylamines Oligothiophènes Benzothiadiazoles Quinoxalines + fonction d’ancrage sur TiO2 Transporteurs de trous : Polymères et/ou petites molécules conjugués Forte mobilité Bonne solubilité + Contribution à l’absorption (concepts mixtes) o Propriétés optiques o Propriétés électrochimiques o Conditions de greffage o Co-sensibilisation 5 NOXOMIX / 2013-2014 3. Plan de travail et méthodes Nouveaux oxydes à faible gap et nanocomposites (XLIM) Nanomatériaux synthétisés par pyrolyse laser – coll. N. Herlin-Boime (CEA/NIMBE Saclay) Démonstration des potentialités de la méthode pour l’application PV (2011-2013) Nanoparticules de TiO2 Nanoparticules de TiO2 dopés Azote (N-TiO2) Contrôle fin des propriétés physiques Fort taux de production Procédé transposable à l’échelle industrielle TiO2 N-TiO2 Au-TiO2 Composites TiO2 / Nanostructrues de carbone (CNT, graphène) o Formulation d’encres o Dépôt de couches actives o Association avec colorants et polymères (SPRAM) Réduction du gap optique 6 NOXOMIX / 2013-2014 4. Principaux résultats : Colorants organiques à large gamme d’absorption PK1 Brevetée par le SPRAM C8H17 S 0,5 N S N CO2H NC N 0,45 ε (x10-5 M-1.cm-1) S S S 0,4 C8H17 0,35 N 0,3 S N NC C8H17 0,25 CO2H S 0,2 N 0,15 0,1 0,05 0 300 400 500 600 700 Longueurs d’onde (nm) RK1 Commerciale λabs[a] λem[a] ε[a] ΔE0-0[b] [nm] [nm] [M-1/cm] [eV] RK1 484 713 27600 2.15 X 2.0 DJ021 534 663 43400 2.09 X 3.2 DJ118 558 733 29000 1.86 X 2.1 PK1 536 721 36300 1.98 X 2.7 X ε N719 Absorption jusqu’à 650 nm Forts ε (vs. Ruthenium) RK1 : façade EPFL [a] Mesures dans le CH2Cl2. [b] mesures à partir du λonset. 7 NOXOMIX / 2013-2014 Colorants organiques : utilisation en cellules ssDSSC Voc [mV] FF η [%] RK1 7.17 837 0.47 2.84 PK1 7.51 761 0.41 2.37 RK1+PK1 6.45 816 0.65 3.43 DJ118 3.91 860 0.47 1.61 IPCE [arb. units] Jsc [mA.cm-2] 1.0 Rendements non optimisés prometteurs : de 1.6 à 3.5% DJ118 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 400 500 600 700 Wavelength [nm] 800 Transporteur de trous moléculaire : FC80 En cours : propriétés électrochimiques, mobilité, tests en cellules hybrides solides 8 NOXOMIX / 2013-2014 4. Principaux résultats : Nouveaux oxydes à faible gap optique Synthèse en une étape par pyrolyse laser (CEA/NIMBE) Particules de TiO2 dopées à l’or (Au-TiO2) 90 4 Densité de courant [mA.cm-2] 80 Reflection [%] 70 60 50 40 30 TiO2 TiO2:Au 0.03wt% TiO2:Au 0.14wt% 20 10 300 400 poudres 500 600 700 Longueur d'onde [nm] Effets plasmoniques 800 TiO2 TiO2:Au 0.03wt% TiO2:Au 0.14wt% 2 0 -2 -4 -6 ssDSSC -8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Tension [V] Possibilité d’améliorer la génération de photocourant (recombinaisons importantes) 9 NOXOMIX / 2013-2014 4. Principaux résultats : Composites TiO2/nanostructures de carbone TiO2 / nanotubes de carbone Nanopoudres composites TiO2/CNT Objectif : améliorer le drainage des charges vers les électrodes Couches poreuses ex situ In situ In situ = Fort enrobage des CNT Gain de performances de 30% : fortes interactions TiO2-CNT Premiers tests : TiO2 / graphène Performances prometteuses 10 NOXOMIX / 2013-2014 5. Conclusion/Résumé des faits marquants Synthèse de molécules innovantes pour le photovoltaïques Génération de courant et transport Nouveaux colorants organiques : η de 1 à 3% en ssDSSC non optimisées Réponse panchromatique (co-adsorption) Premières investigations de particules absorbant dans le visible Procédé efficace pour la synthèse in situ de composites TiO2/CNT Incorporation en couches actives : gain de performances de 30% Potentialités importantes pour les composites TiO2/graphène Articles dans des revues internationales : 3 (1 acceptée, 1 en révision, 1 soumise) H. Muguerra et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 7472-7480 Communications internationales : 2 Brevet en cours de dépôt : 1 (synthèse in situ de composites TiO2/CNT) 11 NOXOMIX / 2013-2014 6. Suite donnée, ou à donner, au projet Dépôt de pré-propositions ANR (AAP 2015) Projet SuperSansPlomb (SPRAM-XLIM-FOTON) pérovskites + HTM Projet NACRE (XLIM-NIMBE-PCM2E) nanocomposites Partenariat industriel (SPRAM) : 2 partenaires (France, Suisse) Niveau européen : discussions en cours pour projet de type FET Soutien supplémentaire de la Cellule Energie / Attente : Possibilité de financer des moyens humains contractuels (stages) ? 12
