Cette thèse porte sur l'étude de nanocristaux semi-conducteurs ternaires, et leur application dansdes cellules solaires hybrides organiques/inorganiques. Les nanocristaux semi-conducteurs absorbentla lumière à des longueurs d'ondes déterminées par leur taille et leur composition, et conduisent lescharges électriques. Ils sont stables en solution, ce qui permet un dépôt de couches minces à bascout. Aujourd'hui les meilleurs rendements en cellules solaires hybrides sont obtenus à partir de nanocristauxbinaires contenant soit du plomb, soit du cadmium. Les nanocristaux ternaires conserventles propriétés particulières des nanocristaux binaires tout en permettant de s'affranchir des élémentstoxiques. Cependant, leur synthèse reste à optimiser pour contrôler de leur structure cristalline et leurcomposition.Nous avons réalisé, par voie chimique, la synthèse de nanocristaux de CuInS2 de taille et de compositioncontrôlées. En suivant in situ la synthèse de ces nanocristaux par diffraction des rayons X sous rayonnementsynchrotron nous avons trouvé que les précurseurs s'organisent avant nucléation sous forme deplans espacés par deux longueurs du ligand utilisé (ici dodécanethiol, DDT). Cela impacte nucléationet croissance des nanocristaux. Les ligands stabilisent les nanocristaux en solution colloïdale, maisleur caractère isolant peut inhiber le transfert et le transport de charges. Le remplacement du ligandd'origine (DDT) par un ligand plus court, l'éthylhexanethiol (EHT), modifie les niveaux d'énergie etpermet d'augmenter la conductivité des films de nanocristaux. Nous avons intégré des nanocristauxde CuInS2 entourés d'EHT dans des cellules hybrides constituées d'un polymère conjugué (P3HT) etd'un fullerène (PCBM). L'efficacité des cellules solaires contenant des nanocristaux entourés d'EHTest significativement améliorée par rapport à celle des cellules de P3HT :PCBM réalisées dans lesmêmes conditions. Le transfert et la mobilité des charges sont étudiés par RPE sous éclairement etphoto-CELIV respectivement. De ces études il ressort que l'amélioration des cellules provient d'unemeilleure génération et dissociation des charges.

Le contexte énergétique actuel est un enjeu sociétal. L'utilisation de l'énergie solaire au travers de cellules solaires photovoltaïques à bas-coût et à haut rendement, est une des voies envisagées pour répondre aux besoins énergétiques. Ce travail de thèse a permis de démontrer la faisabilité de cellules solaires hybrides, basées sur une jonction de type " cœur/coquille " entre des nanofils de silicium obtenus par gravure chimique et du PEDOT polymérisé par voie électrochimique. Les principaux avantages d'une telle structure sont à la fois la simplicité et le faible coût des méthodes utilisées pour la réalisation de la cellule. Les nanofils de silicium, grâce à leur capacité à piéger la lumière, conduisent à des propriétés d'anti-reflet très intéressantes avec notamment des valeurs de réflexion inférieures à 3% sur toute la gamme spectrale du visible. La réalisation de telles jonctions a fait l'objet d'une étude poussée sur les différentes caractéristiques de dépôt du polymère, tels que l'intensité lumineuse, le potentiel appliqué et la durée du procédé. L'influence de ces paramètres sur la mesure I(V) de la cellule solaire hybride complète a également été étudiée. On peut noter en particulier que l'on obtient ainsi une densité de courant de fuite très faible et une résistance de fuite très élevée, permettant d'émettre l'hypothèse d'une bonne passivation des états de surface. Ceci constitue une voie prometteuse pour obtenir un bon transport de charges en polarisation inverse.

Les cellules photovoltaiques proposent une solution au problème énergétique en raison de leur source inépuisable: le soleil. Plusieurs types de cellules, qu'elle soient inorganiques ou organiques, sont étudiées, avec comme objectif d'obtenir de hauts rendements pour de faibles coûts. Dans ce contexte, ce travail de thèse se propose d'étudier des cellules solaires hybrides nanostructurées à base de nanofils de silicium et de matériaux organiques afin de bénéficier des avantages de ces différents matériaux. La morphologie controlée de la croissance des nanofils de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) via un procédé Vapeur-Liquide-Solide est présentée. Le mélange de matériaux organiques est ensuite déposé sur les nanofils de silicium par un procédé d'enduction par centrifugation. Dans ce type de cellules hybrides, les nanofils de silicium jouent le rôles de matériaux accepteurs ou aident à l'absorption de la lumière. Pour améliorer les performance de ces cellules, il est nécessaire d'optimiser la qualité du réseau de nanofils par une gravure chimique visant à éliminer les traces de catalyseur résiduelles ainsi que l'oxyde natif du silicium. Cet effet de la gravure a été largement étudié et discuté. De plus les propriétés d'accepteur d'électrons des nanofils de silicium à base de catalyseurs de Bismuth ont été étudiées. Les résultats montrent clairement le potentiel de ce type de cellules, notamment 1) l'augmentation de la conversion de lumière par l'amélioration de l'efficacité du rendement quantique pour les grandes longueurs d'onde, 2) l'utilisation d'une grande variété de nanofils avec des morphologies et propriétés électriques finement controlées.

Cette thèse porte sur l’étude de nanocristaux semi-conducteurs ternaires, et leur application dansdes cellules solaires hybrides organiques/inorganiques. Les nanocristaux semi-conducteurs absorbentla lumière à des longueurs d’ondes déterminées par leur taille et leur composition, et conduisent lescharges électriques. Ils sont stables en solution, ce qui permet un dépôt de couches minces à bascout. Aujourd’hui les meilleurs rendements en cellules solaires hybrides sont obtenus à partir de nanocristauxbinaires contenant soit du plomb, soit du cadmium. Les nanocristaux ternaires conserventles propriétés particulières des nanocristaux binaires tout en permettant de s’affranchir des élémentstoxiques. Cependant, leur synthèse reste à optimiser pour contrôler de leur structure cristalline et leurcomposition.Nous avons réalisé, par voie chimique, la synthèse de nanocristaux de CuInS2 de taille et de compositioncontrôlées. En suivant in situ la synthèse de ces nanocristaux par diffraction des rayons X sous rayonnementsynchrotron nous avons trouvé que les précurseurs s’organisent avant nucléation sous forme deplans espacés par deux longueurs du ligand utilisé (ici dodécanethiol, DDT). Cela impacte nucléationet croissance des nanocristaux. Les ligands stabilisent les nanocristaux en solution colloïdale, maisleur caractère isolant peut inhiber le transfert et le transport de charges. Le remplacement du ligandd’origine (DDT) par un ligand plus court, l’éthylhexanethiol (EHT), modifie les niveaux d’énergie etpermet d’augmenter la conductivité des films de nanocristaux. Nous avons intégré des nanocristauxde CuInS2 entourés d’EHT dans des cellules hybrides constituées d’un polymère conjugué (P3HT) etd’un fullerène (PCBM). L’efficacité des cellules solaires contenant des nanocristaux entourés d’EHTest significativement améliorée par rapport à celle des cellules de P3HT :PCBM réalisées dans lesmêmes conditions. Le transfert et la mobilité des charges sont étudiés par RPE sous éclairement etphoto-CELIV respectivement. De ces études il ressort que l’amélioration des cellules provient d’unemeilleure génération et dissociation des charges. / This work is devoted to the study of ternary semiconductor nanocrystals, and their application inhybrid organic/inorganic solar cells. Semiconductor nanocrystals absorb light at controlled wavelength(depending on their size and composition) and are able to transport charges. They form a colloidalsolution in organic solvent compatible with low-cost deposition in thin films. Nowadays, the bestefficiency for such hybrid solar cells is obtained with binary nanocrystals containing lead or cadmium.Ternary nanocrystals preserve the opticla and electronic properties of binary nanocrystals withoutrelying on toxic elements, but it is still a challenge to control their composition and structure.In this thesis, CuInS2 nanocrystals of controlled size and composition were syntesized. A study ofnucleation and growth was carried out by following the synthesis in situ with X-ray radiation at thesynchrotron. This has shown that precursors’ organize themselves into plans of atoms separated by twotimes the length of the ligand (here dodecanethiol, DDT). Ligands stabilize the nanocrystals in colloidalsolution, but their insulating character inhibits efficient charge transfer and transport. Ligand exchangewith ethylhexanethiol (EHT) improves the conductivity of thin films and changethe energetic level ofthe nanocrystals.We studied an approach of hybrid solar cell design, consisting in a bulk heterojunctionof two semiconductor organic components (P3HT and PCBM) and CuInS2 nanocrystals. The efficencyof the cells where nanocrystals are added are better than the one with only P3HT:PCBM. The chargetransfer and mobility was studied by the mean of light induced ESR and CELIV respectively. It hasshown that the improvement of the solar cell efficiency is mainly related to an improvement of thecharge generation and dissociation in the ternary blend.

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la réalisation et l’étude des cellules solaires PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium. Nos études ont porté essentiellement sur l’optimisation des structures hybrides à base de PVK ou de MEH-PPV mélangé dans leur volume avec une phase de nanofils de silicium, référant aux structures PVK/NFSi et MEH-PPV/NFSi respectivement. Cette étude a montré l’étroite interdépendance entre la morphologie des nanocomposites et les propriétés photovoltaïques des cellules réalisées. Nous avons étudiés l’influence de la concentration des nanofils de silicium sur le processus de dissociation des paires photo-générées. Nous avons également étudié l’effet des traitements thermiques et nous avons mis en évidence un meilleur transfert de charge dans le cas des structures PVK/NFSi. Nous avons aussi observé l’influence bénéfique de la désoxydation ainsi que le traitement de fonctionnalisation des nanofils sur l’amélioration du transfert de charge dans le cas des structures réalisées. En conclusion, nous avons montré que les cellules PV hybrides à réseaux interpénétrés utilisant les nanofils de silicium peuvent être optimisées grâce à la compréhension et au réglage fin du transfert de charges / The work presented in this thesis focuses on the implementation and study of hybrid solar cells interpenetrating networks using silicon nanowires. Our studies have focused on the optimization of hybrid structures based PVK or MEH-PPV mixed in their volume with silicon nanowires phase, referring to structures PVK/NFSI and MEH-PPV/NFSI respectively. This study showed the close interdependence between morphology and properties of nanocomposites photovoltaic cells made. We studied the influence of the concentration of silicon nanowires on the dissociation process of photo-generated pairs. We also studied the effect of heat treatment and we have demonstrated a better load transfer in the case of structures PVK/NFSI. We also observed the beneficial effect of deoxidation treatment and functionalization of the nanowires on the improvement of charge transfer in the case of structures made. In conclusion, we have shown that the PV hybrid cell using silicon nanowires can be optimized through understanding and fine tuning of the charge transfer

Cette thèse est consacrée à l'élaboration de cellules photovoltaïques hybrides solides sensibilisées à colorant, composées d'une couche dense de germes de ZnO recouverte de nanobâtonnets de ZnO sensibilisés par un colorant et infiltrés par du spiro-OMeTAD. La couche dense de germes de ZnO a été optimisée, afin qu'elle soit compacte, homogène et bien orientée. Les nanobâtonnets sont synthétisés par voie hydrothermale. L'influence de différents paramètres de synthèse sur la morphologie des nanobâtonnets a été testée. Deux méthodes permettant de modifier l'écart entre les nanobâtonnets ont également été mises au point. Les performances des cellules photovoltaïques varient en fonction de la longueur des nanobâtonnets, du colorant utilisé, de la durée de vieillissement des cellules à l'air, l'atmosphère, la température... Enfin, nous avons réussi à obtenir un rendement dépassant 1%, ce qui est supérieur à la meilleure performance publiée actuellement (0,25%) pour le même type de dispositif.

Cette thèse est consacrée à l’élaboration de cellules photovoltaïques hybrides solides sensibilisées à colorant, composées d’une couche dense de germes de ZnO recouverte de nanobâtonnets de ZnO sensibilisés par un colorant et infiltrés par du spiro-OMeTAD. La couche dense de germes de ZnO a été optimisée, afin qu’elle soit compacte, homogène et bien orientée. Les nanobâtonnets sont synthétisés par voie hydrothermale. L’influence de différents paramètres de synthèse sur la morphologie des nanobâtonnets a été testée. Deux méthodes permettant de modifier l’écart entre les nanobâtonnets ont également été mises au point. Les performances des cellules photovoltaïques varient en fonction de la longueur des nanobâtonnets, du colorant utilisé, de la durée de vieillissement des cellules à l’air, l’atmosphère, la température… Enfin, nous avons réussi à obtenir un rendement dépassant 1%, ce qui est supérieur à la meilleure performance publiée actuellement (0,25%) pour le même type de dispositif. / This thesis deals with solid state dye sensitized solar cells in which dye sensitized ZnO nanorods are associated with spiro-OMeTAD (solid hole conductor). Nanorods are grown on the top of a dense ZnO seed layer. The growth of a dense, homogeneous and well oriented layer is achieved after optimization of the deposition procedure. ZnO nanorods are obtained after submitting the dense ZnO layer to an hydrothermal treatment. The nanorods morphology evolution with reactants concentration, reaction temperature and time,… was determined. The solar cells performances depend also on the nanorods length, the type of dye, the cell ageing time in air, the atmosphere and the cell temperature…The best performance published nowadays (0.25%) for our type of photovoltaic devices is really inferior to the 1% efficiency we obtained.