Integration of photonic conversion layers based on photoemissive nanostructured materials for improving sunlight harvesting ability of solar cells
Dans un contexte marqué par un réchauffement climatique à l'échelle planétaire et la hausse des prix de l'énergie, la nécessité de mettre un terme à notre dépendance envers les énergies fossiles se fait de plus en plus entendre. Parmi les nombreuses alternatives existantes à ce jour, le ph...
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| मुख्य लेखक: | |
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| अन्य लेखक: | , , , , , |
| स्वरूप: | Thèse numérique |
| भाषा: | Anglais |
| प्रकाशित: |
2025.
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| विषय: | |
| ऑनलाइन पहुंच: | Accès Université d'Orléans et IFPM |
| टिप्पणी: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Encarnación Raymundo-Pinero (Président du jury) ; Benoît Cagnon, Mahfoud Abderrezek (Membre(s) du jury) ; Ana Paula Carvalho, Cornel Stan (Rapporteur(s)) Thèse sous embargo actif |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Couches de conversion photonique basées sur des matériaux photoémissifs pour améliorer l'efficacité de conversion des cellules solaires photovoltaïques |
| सारांश: | Dans un contexte marqué par un réchauffement climatique à l'échelle planétaire et la hausse des prix de l'énergie, la nécessité de mettre un terme à notre dépendance envers les énergies fossiles se fait de plus en plus entendre. Parmi les nombreuses alternatives existantes à ce jour, le photovoltaïque a d'ores et déjà démontré être une solution viable, que ce soit grâce au faible coût et au vaste choix des matériaux nécessaires pour leur fabrication ainsi qu'à l'incroyable progression des performances des cellules solaires photovoltaïques au cours des 25 dernières années. Malheureusement, la conversion de l'énergie solaire en électricité advenant avec ces technologies n'a lieu qu'avec une infime fraction de la lumière correspondant à la lumière visible, ce qui limite grandement leur potentiel. Plusieurs solutions, basées sur des matériaux de natures différentes, sont à l'étude pour élargir le domaine d'absorption des cellules solaires. Parmi ces solutions, on trouve notamment des matériaux de conversion spectrale, capables d'absorber les rayons IR ou UV et de les réémettre dans le spectre visible, permettant de surmonter le problème d'inadéquation spectrale des cellules solaires afin d'exploiter pleinement le spectre solaire. De telle façon, il est non seulement possible d'accroître les performances des cellules solaires photovoltaïques mais aussi leur durée de vie en limitant la dégradation des matériaux sous exposition UV. Parmi les exemples de matériaux de conversion photonique se trouvent les quantum dots ' (points quantiques) dont les propriétés physicochimiques et leur application potentielle dans un vaste éventail de domaines (notamment dans le domaine de l'électronique), leur ont valu le prix Nobel de Chimie en 2023. La plupart des matériaux points quantiques sont chers car ils sont conçus à partir de métaux rares ; il est toutefois possible de fabriquer des matériaux similaires entièrement à base de carbone : les carbon dots' (points de carbone). Cette thèse présente l'étude des propriétés optoélectroniques de carbon dots synthétisés à partir de précurseurs variés (N-hydroxyphalimide, épines de pin) via différentes approches de type bottom-up (calcination flash et synthèse hydrothermale assistée par micro-onde). Une caractérisation approfondie de leur composition chimique (XPS, FTIR, TPD-MS) indique la présence de divers groupements fonctionnels impliqués dans les mécanismes de photoluminescence de ces nanoparticules de carbone. C'est notamment le cas des groupements oxygénés, en particulier COOH, C=O et -OH dont les contributions au spectre d'émission ont pu être évaluées. Une passivation des groupements de surface par synthèse hydrothermale assistée par micro-onde ou par l'insertion de cations métalliques a été réalisée, ayant pour effet de stabiliser davantage l'environnement électronique à la surface des nanoparticules et d'accroître l'intensité de la photoluminescence émise. Les matériaux ont ensuite été appliqués sur différents types de cellules solaires (silicium, cellules à colorant, pérovskites) pour en évaluer l'impact. Il en a résulté que la position de la couche de conversion photonique au sein même de la structure des cellules solaires était importante. Dans le cas général, l'application des couches de conversion photonique a généré une augmentation de l'intensité de courant de court-circuit due à la création de nouvelles charges, pouvant atteindre 2.9 % d'augmentation de la conversion pour les cellules solaires à base de silicium, et de 16.9 % pour les cellules à colorant. In a context marked by global warming and soaring energy prices, the need to put an end to our dependence on fossil fuels is becoming increasingly urgent. Among the many alternatives available nowadays, photovoltaics has already proven to be a viable solution, whether thanks to the low cost and large choice of materials required for their manufacture or the incredible progress in the performances registered so far for solar cells over the last 25 years. The inefficient absorption of high-energy photons and thermalization phenomena restrict the maximum power conversion efficiency of conventional single-junction solar cells, thus greatly limiting their potential. To boost the full exploitation of the solar spectrum of solar cells and overcome those limitations, various strategies have been investigated, including tandem solar cell configurations, intermediate band materials and photon management techniques incorporating advanced materials and manufacturing techniques (plasmonic nanoparticles, photonic crystals, spectral converters). Spectral converter materials convert unusable wavelengths (typically high-energy UV or low-energy infrared) into wavelengths that the solar cell can use more effectively (up-conversion, quantum-cutting or down conversion) and are a promising solution to address the spectral mismatch challenge and to expand their lifetime by limiting the degradation under UV exposure, since their application does not involve alterations to existing solar cell devices -avoiding costs rises-. Quantum dot materials have become of interest as spectral converters owing to their tunable light absorption features. They have gained popularity in the past years in many fields of applications (particularly electronics) thanks to their unique physicochemical and optical properties, to the point that they were subject of the Nobel prize in Chemistry in 2023. Commonly based on rare-earth elements, quantum dots are expensive to produce. In this context, carbon nanomaterials and particularly carbon dots have recently shown their potentialities as spectral converters, providing materials produced from abundant precursors and low-cost manufacturing procedures. This thesis presents the study of the optoelectronic properties of carbon dots synthesized from various precursors (N-hydroxyphalimide, pine needles) via different bottom-up approaches (flash calcination, microwave-assisted hydrothermal synthesis). A deep characterization of their chemical composition (XPS, FTIR, TPD-MS) has revealed the importance of surface functional groups involved in the photoluminescence mechanisms of the nanoparticles. This is particularly the case for oxygenated groups corresponding to COOH, C=O and -OH. Both microwave-assisted hydrothermal synthesis and the insertion of metallic cations allowed to prepare carbon dots with modified composition, which lead to the stabilization of the electronic environment at the surface of the nanoparticles, thus increasing the intensity of the emitted photoluminescence. All the synthesized materials were applied on various types of solar cells (Si-based, dye-sensitized, perovskites) to evaluate their impact. Besides the emission properties, the position of the photonic conversion layer in the structure of the cell played an important role. Generally, the application of photonic conversion layers generated an increase in the short-circuit current intensity due to the creation of new charges, with an improved photon conversion efficiency of 2.9 % for Si-based solar cells and of 16.9 % for dye-sensitized solar cells. |
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| वस्तु वर्णन: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Encarnación Raymundo-Pinero (Président du jury) ; Benoît Cagnon, Mahfoud Abderrezek (Membre(s) du jury) ; Ana Paula Carvalho, Cornel Stan (Rapporteur(s)) Thèse sous embargo actif |
| स्वरूप: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |
| अभिगमन: | Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 02 décembre 2026 |