L'utilisation de matériaux transparents et conducteurs a subi une croissance exponentielle lors de la dernière décennie, puisque faisant partie intégrante de nombreux dispositifs optoélectroniques tels que les écrans tactiles & les cellules solaires. Parmi ces matériaux, l'oxyde d'indium-étain occupe la quasi-totalité du marché puisqu'il associe une conductivité élevée et une transparence supérieure à 90% sous forme de film mince. Cependant, le développement de technologies flexibles pousse à rechercher des alternatives à son utilisation car son cout élevé et sa faible flexibilité le rendent incompatible. Au milieu des alternatives carbonées (graphène et nanotubes), les nanomatériaux métalliques ou les polymères conducteurs se présentent comme des alternatives intéressantes : bas cout et facilité à mettre en forme pour les polymères conducteurs, hautes performances pour les nanofils métalliques. Cette thèse présente la mise en œuvre de ces matériaux alternatifs par la méthode originale d'électrofilage et l'étude de leurs propriétés optoélectroniques. La maitrise des conditions de mise en forme (champ, débit, paramètres environnementaux) et l'optimisation des solutions utilisées (rhéologie, concentration en polymère, co-solvants) nous a permis d'obtenir 2 types de nanostructures : des nanofibres 100% polymériques à base de PEDOT:PSS et des nanofibres composites PVP:Nanofils d'argent. L'étude des propriétés opto-électroniques des réseaux ainsi obtenus a aussi été étudiée / The use of transparent and conductive materials has been growing exponentially in the last decade as they are part of many optoelectronic devices such as touch screens and solar cells. Among these materials, Indium-Tin Oxide (ITO) is the market reference since it combines a low resistivity and a high transparency up to 90% in the form of thin film. However, the growing in the development of flexible technologies created a real need in alternatives as ITO has poor mechanical properties. Carbon nanotubes and graphene are potential substitutes, but metallic nanowires and conductive polymers have been developed for their high performances and low cost respectively.This thesis presents the implementation of these alternatives by the original method of electrospinning and the study of their optoelectronic properties. The optimization of the experimental setup (field, rate, environmental parameters) and solutions (rheology, polymer concentration, co-solvents) allowed us to obtain 2 different kinds of nanostructures: fully polymeric with PEDOT:PSS and composite with PVP and silver nanowires. The study of the optoelectronic properties of the resulting networks has also been investigated

Avec la demande toujours croissante d'énergie à laquelle l’homme fait face, le photovoltaïque (PV), qui convertit le rayonnement solaire en électricité, a connu ces dernières décennies un développement important. Bien que le marché PV actuel soit principalement dominé par les technologies à base de Si cristallin, la technologie PV à base de couches minces porte toujours l'espoir de contribuer efficacement à l'avenir vis-à-vis de la crise énergétique en raison de son coût beaucoup plus faible et d'une efficacité raisonnable.Les matériaux transparents conducteurs (TCM), principalement des oxydes conducteurs transparents (TCO), sont une composante essentielle dans la plupart des types de cellules solaires à couches minces car ils servent d'électrode de collecte des porteurs photo-générés sur la face avant de la cellule, c’est-à-dire celle face au soleil. Afin d'améliorer l'absorption optique (limitée par l'épaisseur de l'absorbeur) dans des cellules solaires à couches minces, on souhaite souvent que les TCO soient texturés (avec une rugosité de surface significative) de manière à bien diffuser la lumière, et ainsi de présenter des valeurs élevées de facteur de diffusion de la lumière. Ce dernier, que l’on peut appeler facteur de haze, est défini comme le rapport entre la transmittance (respectivement réflectance) diffuse et la transmittance (respectivement réflectance) totale. Plus ce facteur est élevé plus le TCO diffuse la lumière. Par voie de conséquence, la longueur du trajet optique est augmentée et ainsi le piégeage de la lumière dans la cellule solaire est amélioré, donnant lieu à une absorption de lumière plus importante dans les couches actives et augmentant potentiellement le rendement de conversion photovoltaïque des cellules solaires.Dans ce travail, des nano-composites innovants à base de SnO2 dopé au fluor (FTO) en combinaison avec les nanoparticules ZnO, S:TiO2 et Al2O3 ont été développés en utilisant un processus économique et facile constitué de deux étapes. Ces nano-composites à base de FTO présentent une transmittance totale de 70-80% et une résistance de 10-15 Ohm/sq, satisfaisant ainsi aux exigences requises pour des oxydes transparents conducteurs utilisés au sein de dispositifs photovoltaïques. En modifiant la concentration de la suspension de nanoparticules le facteur de haze de ces nano-composites peut être varié, de manière contrôlée, de presque 0% à 80%. Les propriétés morphologiques, structurales, électriques et optiques de ces nano-composites à base de FTO sont étudiées en détail et elles apparaissent étroitement dépendantes des nanoparticules sous-jacentes. Avant de discuter de l'intégration des nano-composites FTO au sein de cellules solaires, des efforts ont également été consacrés à une bonne compréhension de l'interface FTO/TiO2 qui est couramment présente au sein de divers types de cellules solaires à couches minces émergentes telles que les cellules solaires sensibilisées au colorant (DSSCs). Enfin, les nano-composites FTO diffusants ont été intégrés comme électrodes transparentes au sein de différents types de cellules solaires à couches minces et l'effet du facteur de haze sur la performance du dispositif a été étudié.En ajustant correctement le type et la concentration des nanoparticules sous-jacentes, les propriétés des nano-composites à base de FTO peuvent être variées de manière à répondre aux exigences d'électrodes pour une technologie photovoltaïque spécifique. Notre concept de préparation du TCO nano-composite en combinant les TCO et les nanoparticules propose une ligne directrice générale qui conduit à l’élaboration d’électrodes à caractère diffusant variable; permettant ainsi une bonne absorption des photons pour le photovoltaïque en couches minces. / With the increasing demand for energy that human beings are faced with, the photovoltaics (PV) technology which converts solar radiation into electricity has undergone increasingly development. Although the current PV market is mainly dominated by the crystalline Si based technologies, thin film PV still bears the hope to become the solution to the energy crisis in the future due to its much lower cost and reasonable efficiency.Transparent conductive materials (TCMs), mostly transparent conductive oxides (TCOs), are an essential component in most types of thin film solar cells as the current-collecting electrode on the sun-facing side of the cell. In order to improve the optical absorption (which is restricted by the limited absorber thickness) in thin film solar cells, the TCOs are often desired to be textured (with significant surface roughness) to show high values of haze factor. Haze factor is defined as the ratio of the diffuse transmittance/reflectance to the total transmittance/reflectance. The hazier a TCO is (i.e. with higher haze factor), the more light it scatters. As a consequence, the optical path length is increased and thus the light trapping in the solar cell is improved, giving rise to higher light absorption in the active layers and photon-to-current conversion efficiency of the solar cells.In this work, innovative nanocomposites of fluorine doped SnO2 (FTO) in combination with ZnO, S:TiO2 and Al2O3 nanoparticles have been developed using an economic and facile 2-step process. These FTO nanocomposites exhibit 70-80% total transmittance and 10-15 Ohm/sq sheet resistance, satisfying the basic requirements as transparent conductive oxides used in photovoltaics devices. By changing the nanoparticle suspension concentration, the haze factor of these nanocomposites can be varied, in a controlled way, from almost 0% up to 80%. The morphological, structural, electrical, and optical properties of these FTO nanocomposites are investigated in great details and are found to be closely related to the underlying nanoparticles. Before discussing the integration of the FTO nanocomposites into real solar cell devices, efforts have also been made to shed some light on the understanding of FTO/TiO2 interface commonly adopted in various types of emerging thin film solar cells such as dye sensitized solar cells (DSSCs). Finally, the hazy FTO nanocomposites have been used as transparent electrodes in different types of thin film solar cells and the effect of haze factor on the device performance has been examined.By properly tuning the type and concentration of the underlying nanoparticles, the properties of the FTO nanocomposites can be tuned to meet the electrode requirement for specific photovoltaic technology. Our concept of preparing TCO nanocomposite by combining TCOs and nanoparticles provides a general guideline to design hazy electrodes as light management structures in thin film photovoltaics.

L’intérêt pour les électrodes transparentes (TEs) concerne un large spectre de domaines technologiques, tels que les dispositifs optoélectroniques (cellules solaires, LEDs, écrans tactiles), les films chauffants transparents, ou les applications électromagnétiques. Les TEs de nouvelle génération auront à combiner à la fois un très haut niveau de conduction électrique, de transparence optique, mais aussi de flexibilité mécanique. L’oxyde d’Indium dopé Etain (ITO) domine actuellement le marché des matériaux transparents conducteurs (TCMs). Cependant, la rareté de l’Indium, combinée à ses faibles performances en flexion mécaniques et ses coûts de fabrication élevés ont orienté les recherches vers des TCMs alternatifs. Les réseaux percolants de nanofils métalliques, en particulier les nanofils d’argent (AgNWs), se sont imposés comme l’une des alternatives les plus sérieuses à l’ITO, en raison de leurs propriétés physiques très attractives. Ces réseaux interconnectés offrent également la possibilité d’utiliser des méthodes de synthèse en voie chimique et d’impression à bas coût, sur de grandes surfaces. De manière générale, les premières estimations concernant les coûts de fabrication sont inférieures à celles de l’ITO. De plus, grâce au très haut facteur de forme des nanofils et à la nature percolante des réseaux, les besoins en quantité de matières premières nécessaires pour atteindre un haut niveau de performance sont moindres.Ce travail de thèse s’intéresse à l’étude des propriétés physiques fondamentales – inexplorées ou non encore suffisamment étudiées – des réseaux d’AgNWs, afin d’améliorer la robustesse, la fiabilité et la compatibilité de ce type d’électrodes avec les critères de performance industriels. La première partie est consacrée à l’étude des méthodes d’optimisation utilisées pour diminuer au mieux la résistance électrique des électrodes. Les mesures électriques in situ effectuées au court d’un recuit thermique et/ou après traitement chimique fournissent de précieuses informations concernant les mécanismes d’activation au niveau des jonctions entre nanofils. A l’échelle du réseau, notre capacité à distinguer les zones qui participent efficacement à la conduction électrique de celles qui seraient potentiellement inactives est un défi majeur. Pour les réseaux dont la densité en nanofils est proche du seuil de percolation, un processus d’activation discontinu de chemins efficaces de percolation à travers le réseau a pu être mis en évidence. De manière générale, l’influence de plusieurs paramètres (densité du réseau, tension, niveau d’optimisation) sur l’homogénéité et la stabilité électrique et thermique des électrodes a été étudiée, à l’aide de techniques de cartographie électrique et de simulations. A tension élevée, un processus d’emballement thermique conduisant à la formation d’une fissure physique à travers un réseau d’AgNWs soumis à des plateaux de tension croissants a pu être détecté visuellement. Des modèles de simulation via les logiciels Matlab et Comsol ont aussi été construits afin de confirmer, voire anticiper, les phénomènes observés expérimentalement. Par ailleurs, encouragés par la demande croissante pour les dispositifs électroniques portatifs en toute circonstance, des tests préliminaires ont été conduit pour évaluer le comportement des réseaux d’AgNWs sous contrainte d’étirement mécanique lorsqu’ils sont transférés sur des substrats élastiques. Ce travail de thèse a également donné lieu à l’intégration de réseaux d’AgNWs dans des dispositifs. Des études ont été menées afin d’améliorer la stabilité des films chauffants transparents à base d’AgNWs et de mieux appréhender les mécanismes favorisant l’émergence de défauts. L’utilisation des réseaux d’AgNWs pour des applications électromagnétiques (antennes, blindage) a également fait l’objet de tentatives préliminaires dont les résultats sont commentés à la fin du manuscrit. / Transparent electrodes attract intense attention in many technological fields, including optoelectronic devices (solar cells, LEDs, touch screens), transparent film heaters (TFHs) and electromagnetic (EM) applications. New generation transparent electrodes are expected to have three main physical properties: high electrical conductivity, high transparency and mechanical flexibility. The most efficient and widely-used transparent conducting material is currently indium tin oxide (ITO). However the scarcity of indium associated with ITO’s lack of flexibility and the relatively high manufacturing costs have prompted search into alternative materials. With their outstanding physical properties, silver nanowire (AgNW)-based percolating networks appear to be one of the most promising alternatives to ITO. They also have several other advantages, such as solution-based processing, and compatibility with large area deposition techniques. First cost estimates are lower for AgNW based technology compared to current ITO fabrication processes. Unlike ITO, AgNW are indeed directly compatible with solution processes, never requiring vacuum conditions. Moreover, due to very large aspect ratio of the NWs, smaller quantities of raw materials are needed to reach industrial performance criteria.The present thesis aims at investigating important physical assets of AgNW networks – unexplored (or not explored enough) so far – in order to increase the robustness, reliability, and industrial compatibility of such technology. This thesis work investigates first optimization methods to decrease the electrical resistance of AgNW networks. In situ electrical measurements performed during thermal ramp annealing and/or chemical treatments provided useful information regarding the activation process at the NW-NW junctions. At the scale of the entire network, our ability to distinguish NW areas taking part in the electrical conduction from inactive areas is a critical issue. In the case where the network density is close to the percolation threshold, a discontinuous activation process of efficient percolating pathways through the network was evidenced, giving rise to a geometrical quantized percolation phenomenon. More generally, the influence of several parameters (networks density, applied voltage, optimization level) on the electrical and thermal homogeneity and stability of AgNW networks is investigated via a dual approach combining electrical mapping techniques and simulations. A thermal runaway process leading to a vertical crack and associated to electrical failure at high voltage could be visually evidenced via in situ electrical mapping of AgNW networks during voltage plateaus. Moreover many efforts using Matlab and Comsol softwares were devoted to construct reliable models able to fit with experimental results. Due to the increasing demand for portable and wearable electronics, preliminary tests were also conducted to investigate the stretching capability of AgNW networks when transferred to elastomeric substrates. Finally, integrations of AgNW networks in several devices were performed. Specifically, studies were conducted to understand the mechanisms leading to failure in AgNW-based transparent film heaters, and to improve their overall stability. Preliminary investigations of the benefits of incorporating of AgNW networks into electromagnetic devices such as antennas and EM shielding devices are also discussed at the end of the manuscript.

Parmi les différentes cellules photovoltaïques existantes, les technologies à base de CIGS représentent aujourd'hui une alternative sérieuse à celles basées sur le silicium. De même, les technologies organiques émergent en vue d'applications sur le marché de la faible puissance. Afin d'être parfaitement concurrentielle, ces cellules doivent s'affranchir au maximum de la présence d'indium (surcoût) au sein de leurs structures (TCO, couche absorbante), ou de matériaux toxiques comme le CdS utilisé en tant que couche tampon. Les chalcogénures de zinc tels que le Zn1-xMgxO ou le ZnOzS1-z peuvent être employées à la place du CdS grâce à leurs propriétés semi-conductrices. En dopant le Zn1-xMgxO par un ou plusieurs atomes métalliques trivalents, on peut également créer des électrodes transparentes (TCO) pouvant substituer les électrodes traditionnelles à base d'indium (ITO). Les couches minces synthétisées au cours de ce travail ont été réalisées par spray-CVD, une technique de dépôt hybride et innovante utilisant un mode de chauffage radiatif. Les améliorations apportées au réacteur expérimental et les avantages qu'elles dégagent en font une alternative crédible aux techniques traditionnelles. Les couches de Zn1-xMgxO ainsi synthétisées exhibent de très bonnes propriétés, dont une énergie de gap facilement ajustable, une forte mobilité électronique et une très bonne transparence. De même, des couches de ZnS ont été réalisées par l'usage d'un précurseur original, permettant de s'affranchir du ZnCl2 (corrosif) couramment utilisé en spray pyrolyse. Les différents TCO étudiés ont montré de faibles résistivités (10-3 Ω.cm) et ont pu être testés dans des cellules solaires organiques en structures inverses. / In the field of photovoltaic devices, organic and CIGS-based solar cells are both promising way to compete with silicon-based technologies for low and high power generation. In order to provide safe and cost-effective thin films for these devices, zinc chalcogenides layers represent interesting opportunities to replace indium (expensive) and cadmium-based (toxic) layers. Semiconductors like Zn1-xMgxO and ZnS had been synthesized using an infrared assisted spray-CVD apparatus. The interaction between an aerosol and the infrared radiation is the main innovation in this process and sparked off many advantages. With this simple, vacuum-free and chemical soft technique, Zn1-xMgxO thin films exhibit excellent optical transparency, high electrical conductivity and an easily band gap adjustment. The obtained properties, compared with those reported by other traditional techniques, classed infrared assisted spray-CVD as an interesting and promising alternative technique in order to deposit thin films for such applications. ZnS thin films had been prepared with an original chemical precursor which enable to work without ZnCl2, the traditional corrosive chemical precursor in spray pyrolysis. In addition to that, some transparent conductive oxides (TCO) had been investigated by doping ZnO and Zn1-xMgxO layers with aluminum and/or gallium. With a very high optical transparency and a resistivity as low as 10-3 Ω.cm, ZnO:Al exhibit workable properties as transparent electrodes. Indeed, inverted organic solar cells had been realized with those TCO and proved their well-functioning into such devices.

Parmi les différentes cellules photovoltaïques existantes, les technologies à base de CIGS représentent aujourd'hui une alternative sérieuse à celles basées sur le silicium. De même, les technologies organiques émergent en vue d'applications sur le marché de la faible puissance. Afin d'être parfaitement concurrentielle, ces cellules doivent s'affranchir au maximum de la présence d'indium (surcoût) au sein de leurs structures (TCO, couche absorbante), ou de matériaux toxiques comme le CdS utilisé en tant que couche tampon. Les chalcogénures de zinc tels que le Zn1-xMgxO ou le ZnOzS1-z peuvent être employées à la place du CdS grâce à leurs propriétés semi-conductrices. En dopant le Zn1-xMgxO par un ou plusieurs atomes métalliques trivalents, on peut également créer des électrodes transparentes (TCO) pouvant substituer les électrodes traditionnelles à base d'indium (ITO). Les couches minces synthétisées au cours de ce travail ont été réalisées par spray-CVD, une technique de dépôt hybride et innovante utilisant un mode de chauffage radiatif. Les améliorations apportées au réacteur expérimental et les avantages qu'elles dégagent en font une alternative crédible aux techniques traditionnelles. Les couches de Zn1-xMgxO ainsi synthétisées exhibent de très bonnes propriétés, dont une énergie de gap facilement ajustable, une forte mobilité électronique et une très bonne transparence. De même, des couches de ZnS ont été réalisées par l'usage d'un précurseur original, permettant de s'affranchir du ZnCl2 (corrosif) couramment utilisé en spray pyrolyse. Les différents TCO étudiés ont montré de faibles résistivités (10-3 Ω.cm) et ont pu être testés dans des cellules solaires organiques en structures inverses.

Ce travail de thèse est principalement dédié à la mise en forme et à l’utilisation de nano-objets unidimensionnels comme matériaux d’électrodes transparentes. Les nanofils d’argent font partie des candidats les plus prometteurs pour le remplacement de l’oxyde d’indium-étain, actuellement le plus répandu dans les dispositifs commerciaux. La forte instabilité des nanofils d’argent à l’oxydation est néanmoins un problème critique puisque les électrodes deviennent moins performantes en peu de temps. En premier lieu, la triphénylphosphine a été utilisée comme agent inhibant l’oxydation. Contrairement aux électrodes non modifiées, celles-ci sont stables pendant plus de trois mois. Une deuxième partie est consacrée à l’utilisation de l’électrofilage pour élaborer des électrodes transparentes à base de nanofibres de matériaux conducteurs (nanofibres de cuivre, nanotubes de carbone, oxyde de graphène réduit). Enfin, une dernière partie concerne l’étude des propriétés mécaniques de nanofibres d’alcool polyvinylique par l’écoulement d’un fluide porteur dans une constriction réalisée en impression 3D. Cette méthode permet une analyse et une évaluation simple et rapide de la contrainte à la rupture des nanofibres, propriété difficilement accessible par des mesures mécaniques traditionnelles. / This PhD work deals mainly with the high scale organization and use of unidimensional nano-objects for making transparent electrodes. Among the candidates of choice for the replacement of indium tinoxide, the main material used in commercial devices, silver nanowires (Ag NW) are among the most promising. However, the tendency of silver nanowires to be quickly oxidized can severely affect their performances. Firstly, this drawback is circumvented through the use of triphenylphosphine (PPh3)as a protective agent. Unlike bare Ag NW electrodes, the PPh3 modified Ag NW electrodes are stable over three months. A second part is dedicated to the production of transparent electrodes via the electrospinning technique. Materials such as copper nanofibers, carbon nanotubes and reduced graphene oxide are investigated. The last part of the manuscript deals with the measurement of the mechanical properties of poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofibers. To do so, the flowing of a fluid in a3D-printed constriction is used. Usually determined with difficulty, the fracture strength of the nanofibers can be evaluated quickly at ease.

Dans cette thèse, des films à base de graphène ont été étudiés comme alternatives viables dans la fabrication d'électrodes transparentes (TCE). Elle met l'accent sur des couches fines de graphène (FLG), sur l'oxyde de graphène réduit (RGO) et leurs hybrides avec des nanotubes de carbone (NTCs) pour être utilisé comme TCE dans les cellule solaires organiques (OSC). Les FLGs et RGO ont été préparés par des méthodes d'exfoliation mécanique ou en phase liquide assistée par micro-ondes. Ces nanomatériaux dilués dans un solvant liquide ont été déposé en couche mince par aérographe. Des caractérisations de transport de charge ont été obtenues grâce à la méthode des 4 pointes. Ces échantillons ont été caractérisés: leur transparence(UV-Visible), leur morphologie et leur topographique (MEB, MET, AFM) ainsi que le travail de sortie (UPS). Pour obtenir des informations sur la qualité structurelle des échantillons, nous avons utilisés les méthodes de spectroscopie XPS, Raman et la photoluminescence. / Graphene mate rials have been researched as viable alternatives of transparent conductors electrodes (TCEs) in this thesis. Current study focuses on few layer graphene (FLG), reduced graphene oxide (rGO) and their hybrids with carbon nanotubes (CNTs) for TCE applications inorganic solar cells (OSCs). FLGs and rGOs have been prepared by mechanical and microwave-assisted exfoliation methods. This films of these materials have been produced by hot-spray method. Results of charge transport characterizations by four-point probes, transparency (UV-Vis), measurements, along with morphological (SEM, TEM) and topgraphic (AFM) studies of films have been presented. UPS studies were performed to determine for a work-function. XPS,Raman and Photoluminescence studies have been employed to obtain the information about the structural quality of the samples.