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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’enseignement sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique UNIVERSITE D’ORAN ES-SENIA FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE Mémoire de Magister en Physique Option: Sciences des Matériaux Présenté et soutenu par: LAKHDAR TOUMI Abderrahmane Elaboration et caractérisation des couches minces originales pour les applications aux cellules solaires Devant la commission d’examen : Président : Mr Y. BOUIZEM Professeur, Université d’Oran Es-senia. Rapporteur : Mr A. KHELIL Professeur, Université d’Oran Es-senia. Examinateurs : Mr M. GHAMNIA Professeur, Université d’Oran Es-senia. Mr K. BENCHOUK Maître de Conférences, Université d’Oran Es-senia. Mr B. AMRANI Maître de Conférences, C. U. Mascara. Remerciements Remerciements Remerciements Remerciements Trois ans de ma vie se sont écoulés depuis le début de cette expérimentation, et aucun jour n’aura passé sans que je m’arrête un instant pour faire progresser mes travaux, mes analyses ou ma rédaction. Un mémoire est un travail à temps plein et même plus, mais en même temps si gratifiant. Malgré les moments les plus difficiles, où l’on a l’impression d’être complètement stagnant pour plusieurs semaines et où nos données semblent ne rien vouloir nous dire, aujourd’hui j’ai le sentiment d’avoir accompli quelque chose dont je peux être fière. J’espère sincèrement que ce mémoire reflète tout le travail et le temps que j’ai consacré à l’aboutissement de ce travail, mais aussi le plaisir que j’ai eu à le faire. Ce travail n’aurait jamais été possible sans l’intervention de plusieurs personnes, que je tiens à remercier sincèrement : Professeur M. KHELIL Abdelbacet mon directeur de thèse, premièrement pour m’avoir offert ce travail en particulier, pour son encadrement et la confiance qu’il m’a témoignée tout au long de mes recherches. Sa disponibilité exemplaire, son support moral et ses nombreux conseils scientifiques pendant la rédaction de ma thèse ont été particulièrement appréciés. C’est une personne très humaine et ce fut très plaisant de travailler à ses côtés. Du côté scientifique, vous aurez toujours su me motiver et me pousser jusqu’à mes limites (ce qui n’aura pas toujours été facile je dois l’avouer!), ce qui m’aura donné une réelle confiance en moi et en mes capacités à la recherche. M. BERNEDE Jean Christian responsable du laboratoire des matériaux photovoltaïques « LAMP » Université de Nantes, vous m’avez encouragé avec enthousiasme et sincère intérêt tout au long de mes travaux. Vous m’avez appris que la science n’est pas toujours compétition mais plutôt collaboration, une leçon qui espérons-le restera gravée tout au long de ma carrière. Votre facilité de combiner joie de vivre et performance est un des aspects de votre personnalité, ou plutôt de votre façon de fonctionner, qui aura été pour moi un exemple et j’en suis sûre aura inspiré plus d’un de vos étudiants. J’exprime ma gratitude et ma reconnaissance envers mon jury de thèse, à savoir M. BOUIZEM Y. en tant que président de jury, M. GHAMNIA M. et M. BENCHOUK K. en tant que examinateurs de l’Université d’Oran et M. AMRANI B. mon examinateur externe du Centre Universitaire de Mascara. Un gros merci au personnel du laboratoire de : « Synthèse organique appliquée », équipe du Professeur AYADA D. Université d’Oran Es-sénia pour la synthèse des produits organiques qui m’ont servi à réaliser mon travail, « Microscopie électronique et sciences des matériaux » de l’USTO pour la microscopie électronique et « Chimie des matériaux » de l’IGMO pour les analyses des rayons X, « Laboratoire de physique des couches pour l’électronique » pour les mesures optiques. Merci à mes collègues avec qui j’ai partagé des moments de plaisir et de joie, aussi bien sur en Algérie qu’en France qui avec le temps sont devenus de véritables amis. Merci à tout(te) mes amis(es) physiciens, chimistes, biologistes, médecins et philosophes qui ont su me divertir durant mes moments de liberté! et tous ceux que j’ai oubliés! ….sans vous rien n’aurait été possible! Dédicace Dédicace Dédicace Dédicace Je dédie ce mémoire de Magister en premier lieu à mes parents pour plusieurs raisons qui font que sans eux, je ne serais pas qui je suis ni où je suis. Ma famille a toujours été derrière moi pour m’encourager, me propulser sur le devant de la réussite. Sa sensibilité et son support à plusieurs niveaux m’ont fortement permis de réaliser ce travail avec enthousiasme et ténacité. Ma famille en France m’a beaucoup aidé surtout durant la période de mon stage et m’a facilité les taches, merci pour l’accueil chaleureux et les aides précieux. Sans vos encouragements, motivation et participation, je ne serais probablement pas où je suis présentement. Si je ne vous l’ai pas assez déjà dit, MERCI! Merci à toutes et à tous! Liste des figures Liste des figures Figure I.1 : Représentation du spectre solaire AM 1,5. Le spectre AM 1,5 global inclut le spectre direct et la lumière diffusée.........................................................................6 Figure I.2 : Description du nombre de masse d’air AM..............................................................7 Figure I.3 : Représentation de la molécule d'éthylène. ...............................................................9 Figure I.4 : Formes résonnantes d'un système conjugué. ...........................................................10 Figure I.5 : Représentation de la structure électronique à l’aide de puits de potentiel pour un atome d’hydrogène (à gauche), une molécule polyatomique (au centre) et un solide organique (à droite).................................................................................12 Figure I.6 : Distribution de la densité d’état en fonction d’énergie dans un semi- conducteur organique amorphe ..............................................................................13 Figure I.7 : Les niveaux énergétiques des matériaux organiques...............................................14 Figure I.8 : Les conditions de dissociation des excitons .............................................................18 Figure I.9 : Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque.....................................................19 Figure I.10 : Caractéristiques courant tension d’une cellule photovoltaïque dans le noir (…) et sous illumination (-.-.)..................................................................................22 Figure I.11 : Schéma d'une cellule de Grätzel ou cellule solaire à colorant [44]......................23 Figure I.12 : Structure d’une cellule hétérojonction (à gauche). Représentation des niveaux d’énergie d’un contact ITO/Donneur/ Accepteur/Al (à droite). [49] ........24 Figure I.13 : Photogénération des charges dans une hétérojonction en volume [1]..................25 Figure II.1: Structure chimique de la Phthalocyanine de zinc ZnPc .........................................35 Figure II.2: Structure chimique de PTCDI-C .............................................................................36 Figure II.3: Structure chimique de 4-méthyl, 3-N-aryl thiazoline-2-thione................................37 Figure II.4: Synthèse de l’iodure S-méthyl, 4-Me-3-N (OMe Phényl) thiazolium .....................38 Figure II.5: Réaction de sel thiazolium avec les rhodanines ......................................................38 FigureII.6: 4-Me-3-N (OMe Phényl) thiazolidène –5 (2-thioxo-3- N(o.OEthylphénylthiazoline-4 one)) MERC1..........................................................39 Liste des figures Figure.II.7: Structure croisée utilisée pour la réalisation des photopiles organiques. ..............40 Figure.II.8: gravure de l’OTC.....................................................................................................41 Figure II.9: Géométrie du masque utilisé pour le dépôt des différentes couches minces qui entre dans la fabrication d’une cellule photovoltaïque organique .........................44 Figure.II.10: L’enceinte à vide et ses accessoires.......................................................................45 Figure.II.11: Procédé de dépôt par spin coating ........................................................................45 FigureII.12: Schéma d'un diffractomètre à RX. ..........................................................................47 Figure II.13: Support pointe métallique du microscope électronique à effet de champ. ............48 Figure II.14: Microscope Électronique à balayage. ...................................................................49 Figure II.15 : Mesure de l'absorption optique (schéma simplifié)..............................................51 Figure .II.16 : Schéma simplifié du spectromètre F.T.I.R...........................................................52 Figure II.17: Configuration de la cellule électrochimique .........................................................53 Figure II.18: Oxydation (a) et réduction (b) d’une molécule organique. ...................................54 Figure.II.19: Schéma de mesure des caractéristiques courant-tension. .....................................55 Figure III.1:.Spectre d'absorption infrarouge de la couche mince de ZnPc...............................59 Figure.III.2:Photographie MEB d’une couche mince de ZnPc. .................................................60 Figure III.3: DRX de la couche mince de ZnPc..........................................................................60 Figure III.4:.Spectres d’absorption de ZnPc ..............................................................................61 Figure III.5: Niveaux énergétiques de ZnPc...............................................................................62 Figure III.6: Spectre d'absorption infrarouge de la couche de PTCDI-C7................................63 Figure.III.7: Photographie MEB d’une couche mince de PTCDI-C7 ........................................64 Figure III.8: DRX de la couche mince de PTCDI-C7.................................................................64 Figure III.9: Spectres d’absorption de PTCDI-C7 .....................................................................65 Figure III.10: Mesures par électrochimie des potentiels : d'oxydation et de réduction du PTCDI-C7.............................................................................................................66 Figure III.11: Diagramme énergétique du système ITO/ZnPc/PTCDI-C7/Al............................67 Liste des figures Figure III.12: Optimisation de l’épaisseur de ZnPc ...................................................................69 Figure III.13: Optimisation de l’épaisseur de PTCDI-C7..........................................................69 Figure.III.14: Caractéristique I(V)de la diode ITO/ZnPc (70nm)/PTCDI-C7 (45nm)/Al/Se(P1)..................................................................................................70 Figure III.15: Caractéristique typique J=f(V) dans l’obscurité et sous illumination coté ITO de la structure: ITO/ZnPc(70nm)/PTCDI-C7(45nm)/Al/Se (PA) .................72 Figure III.16 Spectre d’absorption IR de la solution de MERC1 ...............................................77 Figure III.17. DRX de la couche mince de MERC1....................................................................78 Figure III.18.Photographie MEB d’une couche mince de MERC1Déposé par spin coating.....78 Figure III.19.Photographie MEB d’une couche mince de MERC1Déposé à partir d’une solution de « CHCl3 » ..........................................................................................79 Figure III.20. DRX de la couche mince de MERC1déposée à partir du chloroforme (CHCl3).................................................................................................................80 FirureIII.21. Spectre d’absorption de la couche mince de MERC1 (CH2Cl2) ...........................81 FirureIII.22. Spectre d’absorption de la couche mince de MERC1 (CHCL3) ...........................82 Figure III.23. Spectres d’absorptions de la couche mince de MERC1 élaboré à partir deux solvants (CHCL3) (CH2Cl2). ................................................................................82 Liste des tableaux Liste des tableaux Tableau.III.1. Identification des raies de vibration infrarouge du ZnPc ...................................59 Tableau III.2 Valeurs de ∆(HOMOD-LUMOA) et de la tension de circuit ouvert Voc en fonction des différents couples donneur/accepteur. ................................................71 Tableau III.3: paramètre photovoltaïque de la cellule ITO/ZnPc(70nm)/PTCDI- C7(45nm)/Al/Se, en fonction des deux procédés d’encapsulation P1, PA..............72 Liste des abréviations Liste des abréviations % : Pour cent °C : Degré Celsius °K : Degré kelvin µh, µ e : Mobilités de trous et d'électrons . µm : Micro mètre Å : Angström C60 : Fullerène Caractéristique I (V): Tracé de la variation du courant en fonction de la tension cm : Centimètre DO : Densité optique DRX uploads/Science et Technologie/ th2747-pdf.pdf