Un défi mondial fondamental est de développer des technologies peu coûteuses et stables pour récolter efficacement l'énergie solaire et la transformer en formes pratiques. Ainsi pour la conversion photovoltaïque plusieurs générations de cellules solaires ont émergé. En général, on peut diviser les types existants de cellules solaires en deux classes distinctes: les photovoltaïques inorganiques conventionnels (IPV), comme les jonctions silicium p-n, et les cellules solaires excitoniques (XSCs). Selon le type de matériaux utilisés les cellules solaires excitoniques sont classées en deux catégories: les cellules solaires à colorant (DSC) et les cellules organiques (OPV) développées en couche unique, ou en bi-couche, et les hétérojonction en volume (BHJ). Les cellules solaires à base de points quantiques (QDSC) sont un autre type de cellules solaires qui ont une configuration similaire aux DSCs ou OPVs.Bien que la performance des cellules solaires excitoniques ait été un thème central de la communauté scientifique pendant de nombreuses années, des approches théoriques facilitant sa compréhension sont nécessaires. Les théories semi-classiques son inadaptées pour traiter les phénomènes quantiques dans les cellules solaires nano-structurées. De plus, en raison de l'attraction coulombienne entre les porteurs photo-générés, l'application du formalisme de la fonction de Green hors équilibre (NEGF) pose certaines difficultés. Par conséquent, dans cette thèse, nous développons un nouveau formalisme quantique, basé sur la théorie de la diffusion quantique et sur l'équation de Lippmann-Schwinger, pour fournir un cadre complet pour comprendre les processus fondamentaux intervenant dans le fonctionnement des cellules solaires excitoniques.En particulier, nous nous concentrons sur des aspects qui ont été peu pris en compte dans le passé et nous abordons, au travers d’un modèle à deux niveaux, l'interaction Coulombienne électron-trou à courte et à longue portée, la recombinaison électron-trou, l'existence de canaux d'évacuation supplémentaires, le couplage électron phonon et la formation de bandes polaroniques.Ici, les cellules solaires excitoniques à deux niveaux sont considérées dans les régimes permanents et transitoires d'injection de charge. Les photocellules moléculaires où le processus de conversion de l'énergie se déroule dans un seul complexe donneur-accepteur moléculaire attaché aux électrodes sont considérées comme étant représentatives des XSC dans le régime permanent. A titre d'exemple pour les dispositifs photovoltaïques dans le régime transitoire, nous considérons les cellules photovoltaïques organiques hétéro-jonctions massives (BHJ OPV) qui sont l'approche la plus courante des OPV et se composent d'espèces mixtes donneuses et accepteuses. Dans ces systèmes, l'exciton créé par l'absorption des photons dans le côté donneur doit atteindre d'abord l'interface donneur-accepteur. A partir de ce moment, seulement un régime transitoire commence où les charges peuvent être séparées et injectées dans leurs côtés respectifs.Nous démontrons que la séparation du porteur de charge est un processus complexe qui est affecté par différents paramètres, tels que la force de l'interaction électron-trou et le taux de recombinaison non radiative. En outre, en fonction de la structure de la cellule, l'interaction électron-trou peut normalement diminuer ou augmenter anormalement l'efficacité. Le modèle proposé aide à comprendre les mécanismes des cellules solaires excitoniques, et il peut être utilisé pour optimiser leur rendement. / A fundamental global challenge is to develop an inexpensive, stable and scalable technology for efficiently harvesting solar photon energy and converting it into convenient forms. Photovoltaic energy conversion is attracting great attention such that several generations of solar cells have emerged. The existing types of solar cells roughly fall into two distinct classes: conventional inorganic photovoltaics (IPVs), such as silicon p-n junctions, and excitonic solar cells (XSCs). The mechanistic distinction of IPVs and XSCs results in fundamental differences in their photovoltaic behavior.According to the type of materials used in their structure, excitonic solar cells are classified into two categories: dye-sensitized solar cells (DSC) and organic photovoltaics (OPV) developed in single-layer and bi-layer including planar and bulk hetero--junction configurations. Quantum dot solar cells (QDSC) are another type of solar cells that have a similar configurations to DSCs or OPVs.While understanding the performance of excitonic solar cells has been a central effort of the scientific community for many years, theoretical approaches facilitating the understanding of electron-hole interaction and recombination effects on the cell performance are needed. Semiclassical theories are inefficient tools to treat quantum phenomena in nano-structured solar cells, and on the other hand, due to the Coulomb attraction between the photo generated carriers, the application of standard Non-Equilibrium Green Function (NEGF) formalism presents some difficulties although some specific methods allow to circumvent this problem.In this thesis we develop a new quantum formalism, which is based on quantum scattering theory and on the Lippmann-Schwinger equation, to provide a comprehensive framework for understanding the fundamental processes taking place in the operation of excitonic solar cells. Considering simple two-level models we address important effects such as the short--range and long--range electron--hole Coulomb interaction, the electron--hole recombination, the existence of extra evacuation channels, and the electron--phonon coupling and polaronic bands formation.Here, the two-level excitonic solar cells are considered in the permanent and transitory regimes of charge injection. The molecular photocells where the energy conversion process takes place in a single molecular donor-acceptor complex attached to electrodes are considered as a representative of XSCs in the permanent regime. As an example for the photovoltaic devices in the transitory regime, we consider the bulk hetero--junction organic photovoltaic cells (BHJ OPVs) which are the most common approach to OPVs and consists of mixed donor and acceptor species that form interpenetrating connective networks. In these systems the exciton created by the photon absorption in the donor side must reach first the donor--acceptor interface. From this moment only a transitory regime begins where the charges can be separated and injected in their respective sides.We demonstrate that the charge carrier separation is a complex process that is affected by different parameters, such as the strength of the electron--hole interaction and the non--radiative recombination rate. Furthermore, depending on the cell structure, the electron-hole interaction can normally decrease or abnormally increase the cell efficiency. The proposed model helps to understand the mechanisms of excitonic solar cells, and it can be used to optimize their yield.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2017GREAY056 |
| Date | 07 June 2017 |
| Creators | Nematiaram, Tahereh |
| Contributors | Grenoble Alpes, University of Tabriz (République islamique d'Iran), Mayou, Didier, Asgari, Asghar, Ahmadi Kandjani, Sohrab |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English, French, Arabic |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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