Proposition de thèse : Optimisation de cellules solaires organiques pour applications indoor/oudoor innovantes


Optimization of organic solar cells for innovative indoor applications

L’ED SISMI propose le sujet de thèse suivant :

Intitulé du sujet : Optimisation de cellules solaires organiques pour applications indoor/oudoor innovantes

Thesis proposal and information in English : PhD-XLIM-UNILIM-2021-ratier-english.pdf

Ce projet serait sous la direction de Bernard Ratier du laboratoire XLIM à l’Université de Limoges

Co-directeurs renseignés : Johann Bouclé /

Les financement sont : La thèse est entièrement financée par une bourse institutionnelle fléchée sur ce sujet en 2021 au sein de l’équipe ELITE.

Le début de la thèse est prévu pour : 10/2021

Mots clés du sujet : Cellules solaires organiques, récupération d’énergie indoor/outdoor, communications optiques sans fils,

Présentation du sujet : Les cellules solaires organiques, basées sur des matériaux semi-conducteurs moléculaires, constituent une filière technologique alternative dans le domaine de la conversion d’énergie photovoltaïque. Utilisant des procédés de fabrication à très bas coûts (impression), elles permettent l’utilisation de substrats légers et flexibles, inaccessibles pour les technologies conventionnelles à base de silicium ou de couches minces, tout en présentant des performances très élevées sous illumination artificielle (conditions indoor). Ces caractéristiques permettent d’envisager des applications nombreuses, comme par exemple l’alimentation de dispositifs autonomes du domaine de l’Internet des objets (IoT), ou participer à la réception de données par voie optique de systèmes communicants variés. Alors que leurs performances ont rapidement évolué ces dernières années, de nouvelles stratégies restent nécessaires pour optimiser leur efficacité et leur stabilité. Plusieurs stratégies seront ainsi explorées au cours de cette thèse : intégration de matériaux moléculaires innovants au sein des couches actives ou des interfaces capables de mieux exploiter le spectre d’émission des sources lumineuses indoor ; ingénierie des architectures pour la démonstration de composants semi-transparents ; mise en évidence des relations entre performances photovoltaïques et performances dynamiques pour des applications dans le domaine des communications optiques sans fils.

Objectifs : Les objectifs de la thèse concernent donc la mise en œuvre de plusieurs stratégies pour l’amélioration des performances indoor de cellules solaires organiques. En particulier, le travail se focalisera sur la fabrication de dispositifs à l’échelle du laboratoire, à l’aide des technologies disponibles au sein de la plateforme PLATINOM et son domaine « Electronique imprimée », et leur caractérisation via un ensemble de techniques complémentaires permettant la mise en évidence des propriétés optiques électriques et optoélectroniques des matériaux et composants impliqués (absorption optique, mobilité des charges, temps de transit, rendement de conversion de puissance sous illumination indoor et sous illumination standard simulée, rendements quantiques, etc.). En parallèle de systèmes références basés sur des mélanges donneurs/accepteurs à l’état de l’art (polymères conjugués et accepteurs non fullerènes), l’intégration de composés moléculaires innovants développés dans l’équipe spécifiquement pour l’application, seront envisagés, de même que l’utilisation de systèmes ternaires potentiellement modulables pour récupérer l’énergie lumineuse artificielle. Les études permettront potentiellement de démontrer des composants semi-transparents, ou présentant des temps de réponse faibles permettant d’envisager des applications pour les communications optiques dans le visible.

Description du sujet : Les cellules solaires organiques (OPV) reposent sur des transferts de charge photo-induits entre un semi-conducteur organique (polymère où petite molécule) donneur d’électrons et un semi-conducteur accepteur d’électrons. Présentant des performances en constante augmentation depuis ces dernières années (rendement de conversion de puissance de 18% en 2020), les OPV présentent des spécificités très intéressantes en comparaison des filières photovoltaïques conventionnelles : absorption optique importante permettant de réduire les épaisseurs des couches actives, procédés de mise en forme peu énergivores et bon marché (impression en conditions ambiantes), modularité importante des propriétés électroniques via l’ingénierie des matériaux, fabrication à basse température compatible avec les substrats flexibles et légers. Ces caractéristiques permettent d’envisager de nombreuses applications, comme l’alimentation en énergie de dispositifs électroniques nomades (capteurs variés, électronique basse consommation, etc.), l’intégration aux bâtiments ou aux surfaces vitrées si elles sont semi-transparentes, aux éléments de l’architecture, aux vêtements, etc. Présentant une stabilité sous illumination solaire standard encore à améliorer, les applications les plus prometteuses des OPV sont aujourd’hui considérées en environnement indoor, notamment en raison de performances très élevées sous faible illumination (>28% de rendement), d’une dépendance à l’angle d’incidence très faible comparée aux autres technologies, une durée de vie accrue par rapport à l’usage extérieur, et d’une souplesse d’intégration permettant la démonstration d’objets autonomes variés et mobiles. Ces nouveaux usages nécessitent néanmoins un accord parfait entre le spectre lumineux émis par les sources de lumière artificielle (LED blanches principalement) et les spectres d’absorption des matériaux constituant la couche active. Plusieurs stratégies ont ainsi été déployées dans la littérature pour aboutir aux performances indoor les plus élevées : modification des propriétés optiques des polymères et molécules de la couche active ; modification des couches d’interface utilisées pour la collecte des charges et des architectures ; utilisation de systèmes ternaires mêlant 3 matériaux présentant un spectre d’absorption complémentaire ; etc.
Une autre fonctionnalité de réception de données a été démontrée en 2015 sur une cellule solaire organique de petite surface, et a ouvert la voie à de nouvelles applications des OPV comme photorécepteurs dans le domaine des communications optiques dans le visible. Cette fonctionnalité permet d’envisager la récupération simultanée d’énergie lumineuse ambiante, ouvrant la voie au développement de dispositifs autonomes et communicants pour l’Internet des Objets (IoT).
Au cours de cette thèse, nous nous focaliserons donc sur le contrôle fin des propriétés optiques des couches actives de cellules solaires organiques, mais aussi sur la nature des matériaux d’interface et les architectures des dispositifs pour améliorer les performances photovoltaïques et/ou pour la réception de données par voie optique en conditions indoor. Ces travaux seront menés avec plusieurs équipes partenaires collaborant actuellement avec l’équipe ELITE d’XLIM, aussi bien dans le domaine de l’ingénierie des matériaux, la physique des composants, ou concernant les applications potentielles des composants OPV.

Compétences acquises à l’issue de la thèse : Le(a) candidat(e) acquerra une expérience importante dans le domaine des procédés de fabrication de composants optoélectroniques imprimés, et en particulier appliqués aux cellules solaires organiques. Il(elle) démontrera une bonne connaissance des propriétés électroniques et optiques des matériaux pi-conjugués et des techniques de caractérisation associées (propriétés optiques, électriques, photo-physique). La thèse permettra de plus de développer de solides compétences dans le domaine de la physique des composants, avec notamment une implication potentielle dans la modélisation physique (propriétés optiques, électriques) des dispositifs. Plus généralement, la thèse permettra de développer une expertise forte dans le domaine des technologies photovoltaïques de 3ème génération.

Présentation de l’équipe d’accueil : Ce projet est porté par l’équipe ELITE de l’institut XLIM (UMR 7252, Université de Limoges/CNRS, www.xlim.fr). L’équipe est spécialisée dans le développement et la caractérisation de composants photovoltaïques de 3ème génération (domaine de l’électronique imprimée), et adressent l’ensemble de la chaine de valeur allant de l’intégration de matériaux innovants jusqu’au dispositif final et sa caractérisation. L’équipe s’intéresse à des systèmes modèles permettant de mettre en évidence les phénomènes, tout en modélisant d’un point de vue optique et/électrique les systèmes étudiés. Les applications concernent les composants photovoltaïques de 3ème génération (OPV, cellules pérovskites), mais aussi les diodes électroluminescentes ou les capteurs. L’équipe est activement impliquée dans plusieurs projets nationaux et internationaux dans le domaine de la récupération d’énergie et l’émission de lumière. On note que le travail de thèse exploitera plusieurs initiatives en cours au sein de l’équipe (projets régionaux et nationaux), associant des partenaires académiques et industriels du domaine des OPV.

Compétences souhaitées pour les candidats : Les candidats doivent être titulaires d’un master (ou être sur le point d’en valider un) ou posséder un diplôme universitaire équivalent à un master européen (durée de 5 ans). Il / elle démontrera une formation pertinente dans un ou plusieurs des domaines clés suivants : électronique et optoélectronique, nanotechnologies, matériaux et dispositifs semiconducteurs. Des connaissances ou des expériences passées dans le domaine de l’optoélectronique organique (cellules OPV, OLED, Etc.) seront particulièrement appréciées. Une aisance pour communiquer et pour travailler en autonomie dans un contexte interdisciplinaire sera aussi un atout.

Pour plus d’informations et pour candidater, merci de contacter :

Date de dépôt : 04/09/2021 à  11 h 04 min




ED SISMI