Optimization of nanostructured oxide films for dye-sensitized solar cells application
Optimisation de couches d'oxyde nano-structurées pour applications aux cellules solaires à colorant
Résumé
Dye-sensitized solar cells are part of the third generation of solar cells. Although these systems are rather cheap, their efficiencies (11-12 %) must be improved. Best cells are based on TiO2. Unfortunately, TiO2 preparation requires high temperature sintering which makes DSC unusable for several applications. ZnO which can be prepared at low temperature and with various different morphologies appears to be an interesting alternative material to TiO2. Here are presented results on the optimization of ZnO based DSC. Two strategies of improvement were investigated: optimizing the transport of electrons in the cells and maximizing the light harvesting. First, the influence of the structure of the semi-conductor films (TiO2 and ZnO) on the conduction properties of electrons and the performances of the cells was studied. Electrodeposited ZnO gave the best efficiency of all ZnO based DSC tested thanks to an efficient charge collection at the back contact of the photoelectrode. Then the sensitization step of ZnO happened to be a key parameter in the preparation of the cells. The sensitization influence on the light harvesting, the recombination rate in the cells, and the durability of the device was studied. Finally, new means of light trapping in the cells were tested. Three scattering layer deposition techniques are presented: the sol-gel depositon of scattering particulate films, ZnO platelets electrodeposition and particle occlusion during ZnO electrodeposition. Finally, the efficiency limitations in ZnO-DSC and breakthrough strategies to improve the performances are discussed
Les cellules solaires à colorant (DSC) sont issues de la troisième génération de cellules solaires. Ces systèmes peu onéreux présentent néanmoins des rendements (11-12 %) qui restent à améliorer. De plus les meilleures DSC sont constituées notamment de TiO2 dont la préparation à haute température est un des freins à de nombreuses applications. Le ZnO, synthétisable à basse température et sous de nombreuses morphologies semble être une alternative au TiO2 dans les DSC. L'étude présentée ici a pour but d'augmenter les performances des cellules en optimisant le transport des électrons dans les DSC et en maximisant la récolte de lumière. Pour mieux comprendre la dynamique de transport des électrons dans les DSC, l'influence de la structure des films sur les propriétés de conduction des électrons et sur les performances des cellules a d'abord été étudiée. Cette étude a été menée sur les DSC à base de TiO2 puis de ZnO. Parmi les nombreuses voies de synthèse du ZnO, l'électrodépôt de ZnO en présence d'agent structurant a permis l'obtention de DSC où le transport des électrons était optimisé. La sensibilisation du colorant à la surface du ZnO s'est ensuite révélée être une étape clef dans la préparation des DSC. Son influence sur la quantité de lumière collectée, le taux de recombinaison des électrons, les performances et la durabilité des cellules a été étudiée. De nouvelles voies de confinement de la lumière dans les cellules par rétrodiffusion ont également été recherchées. Finalement, les facteurs limitant les performances des cellules ZnO sont discutés et de nouvelles stratégies d'amélioration sont proposées
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