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Agenda


Soutenance de thèse

Synthèse et études de colorants organiques photochromes pour la réalisation de cellules solaires à transmission optique variable

Mardi 19 octobre 2021 à 13:30 - Salle 445 du bâtiment 10.05, CEA-Grenoble
Lien visioconférence à venir
Publié le 19 octobre 2021

​Par Johan Liotier
Synthèse, Structure et Propriétés de Matériaux Fonctionnels (STEP)

Dans le contexte actuel d’épuisement des ressources fossiles et de changement climatique global, la production d’énergie renouvelable devient une nécessité. Dans ce cadre, les technologies solaires présentent un grand intérêt notamment en France où l’ensoleillement est important tout au long de l’année. Parmi ces technologies, les cellules solaires à colorant présentent de bonnes performances photovoltaïques avec des efficacités reportées dans la littérature jusqu’à 14,3 %. Ces cellules peuvent être conçues semi-transparentes ce qui en fait de bons candidats pour une intégration dans les bâtiments, il serait en effet possible de les intégrer en tant que façade ou vitrage. Cette perspective induit cependant de nouveaux questionnement sur le compromis à trouver entre la transparence et l’efficacité des cellules qui est fixée lors de la fabrication de celles-ci. En effet, une intégration en tant que vitrage demande de laisser passer une quantité de lumière suffisante sans altérer la qualité de la perception des couleurs en intérieur. Pour contourner les limitations actuelles de cette technologie, nous avons envisagé de modifier la structure classique des colorants utilisés pour la fabrication de ces cellules en introduisant un motif photochrome naphtopyrane. Une première étude a permis d’identifier le colorant NPI permettant d’obtenir des cellules solaires atteignant des rendements de conversion supérieurs à 4 % tout en conservant ses propriétés photochromes en cellules. Ces propriétés photochromes étudiées par spectroscopie UV-Vis en solution et en cellules démontrent un changement de couleur réversible de cette molécule avec une décoloration complète en 1 heure en solution et 16 heures en cellules. Différentes modifications chimiques ont ensuite été réalisée sur les différents motifs présents sur ce colorant dans le but d’établir des relations structures propriétés claires entre la structure des molécules et leurs propriétés optiques, photochromes et photovoltaïques. Cette étude a été complétée par la mise en place de techniques de caractérisation des couleurs permettant d’étudier la transparence et le CRI des cellules solaires. Deux méthodes analytiques ont aussi été développées dans le but de comprendre les détails du processus de coloration et décoloration des molécules. La première est une méthode spectroscopique avec irradiation in-situ d’une solution de photochrome dans une sonde RMN et la seconde une méthode de calcul par DFT des états de transition des molécules lors de la refermeture. Enfin, la mise en place d’un programme Python de Machine Learning couplé à la mise en place de plans d’expériences a permis l’optimisation rapide d’électrolytes contenant des médiateurs rédox de différentes natures permettant une augmentation des performances et de la transparence des cellules. Ces travaux ont permis d’obtenir plus d’une vingtaine de colorants présentant propriétés optiques variées. Ces molécules possèdent des domaines d’absorption larges dans la partie visible du spectre solaire avec des longueurs d’onde maximales d’absorption qui varient de 470 nm à 655 nm. Elles présentent ainsi des couleurs allant du vert à l’orange en passant par le violet ou le rouge. Les efficacités photovoltaïques de ces colorants, pionnier dans ce domaine, ont été étudiées et certains d’entre eux présentent des efficacités supérieures à 4,1 %.