 Couches Minces : Corrélation Structure-Propriétés |
Oxyde de Titane pour des applications en photovoltaïque  |
Participants:
- Antoine GOULLET (PR)
- Marie-Paule BESLAND (CR)
- Abdou DJOUADI (PR)
- Agnès GRANIER (DR)
- Luc BROHAN (CR), Mireille RICHARD-PLOUET (CR), [CSES]
Doctorants:
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Depuis deux décennies, les films d’oxyde de Titane ont été largement étudiés pour un grand nombre d’applications incluant la photo catalyse, les cellules photovoltaïques, les revêtements pour l’Optique ou encore des guides d’ondes...Les applications de l’oxyde de titane pour la réalisation de dispositifs optiques intégrés à base de guide d’ondes sont développés dans le thème 4.
Il s’agit ici de réaliser des couches minces nanostructurées de TiO2 pour des applications dans des cellules photovoltaïques de IIIéme Génération et des photobatteries, dans le cadre d’un projet soutenu par l’ANR Solaire Photovoltaïque et coordonné par L. Brohan (Equipe CSES IMN). Les savoir-faire de l’équipe « Chimie » en CSD et de l’équipe PCM en PECVD d’organosiliciés vont permettre l’obtention de films minces d'oxyde de titane mésoporeux en parallèle par CSD et PECVD et leur évaluation au niveau des performances des cellules.
L’expérience acquise lors du dépôt de matériaux diélectriques à partir de molécules organosiliciées (TEOS (tetraéthoxysilane) et HMDSO (hexaméthyl-disiloxane) purs ou en mélange avec de l’oxygène ou de l’argon sera mise à profit pour la réalisation de couches minces à base de précurseurs d’oxyde de titane, à partir de précurseurs commerciaux (tetraisopropoxyde de titane-TTIP) puis, à partir des solutions monodisperses de précurseur utilisées en CSD par l’équipe de L. Brohan.
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 Figure 1 : Schématisation d’une cellule de Grätzel ou cellule à colorant
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Dans le type de cellules développées à l’IMN, les exigences concernant le collecteur d’électrons photogénérés sont similaires à celles d’une cellule à colorant ou cellule de Grätzel (figure 1), la couche de TiO2 doit être poreuse et nanocristalline pour augmenter la surface de contact entre le colorant et l’électrolyte et acheminer les électrons photo-générés vers l’électrode conductrice (SnO2/F). L’électrolyte ré-achemine ensuite les électrons vers les molécules de colorant.
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Dans le système envisagé à l’IMN, le dépôt de TiO2 poreux (anatase nanocritallin) est conservé, mais le colorant et l’électrolyte sont remplacés par un gel photochrome développé à l’IMN. Un point critique dans ce système est l’électrode collectrice des électrons incluant des nanoparticules de TiO2.
Cette couche poreuse permet généralement le contact de l’électrolyte avec la couche conductrice de SnO2/F, entraînant une diminution du potentiel de travail en raison de courts circuits locaux. La solution envisagée pour contourner ce problème est de déposer par plasma PECVD une couche dense de TiO2 (de préférence anatase) entre l’électrode conductrice et le TiO2 poreux. |
| Résultats |
L’étude est actuellement dans une phase de démarrage. Les dépôts sont réalisés sur substrats Si placés au potentiel flottant, sans chauffage intentionnel de l’échantillon (T < 80 °C). Les couches minces de TiO2 sont déposées à basse pression par plasma RF (13.56 MHz) haute densité créé par une antenne hélicon [Figure 2].
Figure 2 : Réacteur Hélicon PECVD : élaborationàbasse T° (RT-100°C)
Le précurseur tetraisopropoxide de titane (TTIP), composé liquide très volatile, est entraîné sous forme vapeur par un flux d’azote bullant dans la solution et introduit dans la chambre par un anneau situé au-dessus de l’échantillon en présence d’un plasma d’oxygène Les premières études concernent la mise au point du procédé sur la base du savoir faire acquis avec le dépôt de Silice et couches organosiliciées en utilisant des alkoxydes de silicium. Les travaux publiés montrent clairement qu’il est possible de modifier largement la micro structure des films obtenus en modifiant la composition de la phase gazeuse et notamment le pourcentage de précurseur TTIP. Les premiers dépôts mettent bien en évidence une microstructure variable, fonction du % de précurseur TTIP dans la phase gazeuse (illustration figure 3).
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| Figure 3: Images MEB d’un film TiO2 déposé par PECVD sur substrat Si : surface (a) et profil (b) |
| Collaborations
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- INL Institut des Nanotechnologies de Lyon – Equipe Optique : A. Gagnaire, R. Dubent,
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