PERENCAP

Pérennité de l’encapsulation de cellules solaires flexibles : i illi t l’i t d l l iè d h i l èvieillissement sous l’impact de la lumière des couches organiques polymères,

hybrides et nanocomposites utilisées pour l'élaboration de structures ultra-barrières

Responsable scientifique : Jean Luc GARDETTEResponsable scientifique : Jean-Luc GARDETTE

Laboratoire de Photochimie Moléculaire et Macromoléculaire (LPMM),UMR 6505, Clermont Université, Université Blaise Pascal 63173 AUBIÈRE, ,

Laboratoire des Composants Solaires (LCS),CEA/DRT/LITEN/DTS/LCS, BP 332, GARDETTE Jean-Luc (Pr)50 avenue du Lac Léman 73370 LE BOURGET DU LAC

THÉRIAS Sandrine (CR)RIVATON Agnès (DR)GAUME Julien (doctorant)

CROS Stéphane (IR)CROS Stéphane (IR)GUILLEREZ Stéphane (IR)

Bilan à mi-parcours

Contexte du projet

Amélioration de la durée de vie des cellules solaires organiques flexibles

Marchés du nomade civil et militaire

Cathode ~ 100 nm

Cellule photovoltaïque organiqueCathode 100 nm

Anode ~ 180 nm

Couche Active ~ 100 – 200 nmPEDOT:PSS ~ 40 nm

Rendement de conversion acceptable (5-6%)

pour des applications nomadesSubstrat transparent (Verre, polymère…)

Contact Cr-Au

LumièreEtude de la durabilité sous illumination de la couche active

dans le cadre de deux thèses au LPMM

Verrou au développement

(Sylvain Chambon (2006) et Matthieu Manceau(2009))

Faible résistance aux contraintes environnementales : eau, oxygène et rayonnement solaire

Objectif de PERENCAP

Structures ultra‐barrières multicouches obtenues par alternance de couches inorganiques et de couches organiques

Développement de matériaux d’encapsulation performants et durables

inorganiques et de couches organiques

 Défauts couches denses inorganiquesDéfauts couches denses inorganiques

Couche polymère d’intercalation Nanochargée (~ 1 micron)

Couche dense (~100 nm)

Support polymère épais

Augmentation de la tortuosité

Couche polymère d’intercalation Nanochargée (~ 1 micron)

Couche dense (~100 nm)

Support polymère épais

Augmentation de la tortuosité

Propriétés requises

Support polymère épais Support polymère épais

p q- barrière à l’oxygène et à l’eau- transparent dans le visible- flexibilité

maintien des propriétés en cours de fonctionnement

Laboratoire de Photochimie Moléculaire et Macromoléculaire

Thèse de Julien Gaume (2008-2011)

(allocation MESR sur thème scientifique prioritaire)

Etude du photovieillissement de matériaux nanocompositespour l’encapsulation de cellules solaires organiquespour l encapsulation de cellules solaires organiques

Couche polymère d’intercalation nanochargée (LPMM)

Insertion de nanocharges à facteur de forme élevé dans la structure multicouche

Influence sur les propriétés barrière avant t è i illi t élé éet après vieillissement accéléré

Comportement photochimique du polymère nanochargéEtude en présence de faible pression d’O2

Propriétés barrière initiales et au cours du vieillissementDurabilité du multicouche

Déroulement du projet PERENCAP

Tâches année 1 année 2 année 3

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

Tâche 1

Etat de l’art, choix des matériaux

Tâche 2

Mise en œuvre des matériaux "vierges" et nanochargés et caractérisation des propriétés

et caractérisation des propriétés

Tâche 3 Vieillissement sous irradiation lumineuse des matériaux de la tâche 2

Vieillissement photochimique des Tâche 4

p qstructures multicouches et évolution

de leurs propriétés fonctionnelles

Tâche 5

Evolution des propriétés photoélectriques dans les

conditions de

fonctionnement des cellules

Les supports polymères épais

3 types de PET :

‐ PET Melinex 401 (Dupont), 50 μm.‐ PET Toray U34 100 μm: modification

2 types de PC :

‐ PC Makrofol DE 1‐1 (Bayer), 125 μm.PET Toray U34, 100 μm: modification 

chimique de surface.‐ PET Melinex HCSTX1 (Dupont), 175 µm: revêtement de silice sur une face.

‐ PC Makrofol LP 1202 (Bayer), 125 µm:PC haute température.

2 types de PEN : 3 types de PMMA :

‐ PEN Teonex HCQ6Z1 (Dupont), 125 μm:revêtement de silice sur une face.

‐ PMMA Altuglas® HT 121 (Arkema), 100 μm.‐ PMMA Altuglas® V 825T (Arkema), 100 μm.‐ PMMA 3, 100 μm: PMMA Altuglas® V 825T

‐ PEN classique, 125 μm.μ g

sans stabilisants.

PVA t0PVA t0

La couche polymère d’intercalation

PVA-t0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

sorb

ance

PVA-t0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

sorb

ance

0,2Spectre UV-Visible du PVA à l'état initial

e

Poly(vinyl alcool) (PVA) 0,2

0,4

0,6

0,8

1,0Abs

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0Abs

Abso

rban

ce

(PVA) ,500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Nombre d'onde (cm-1)

,500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Nombre d'onde (cm-1)200 300 400 500 600 700 800

0,0

Longueur d'onde (nm)

Spectroscopie IR

1723 h0 h

1,2

1,4

1,6

1723 h0 h

1,2

1,4

1,6

0 6

0,8

1,0

Abso

rban

ce

0 6

0,8

1,0

Abso

rban

ce

Photovieillissement du PVA en absence d’O2

Stabilité photochimique du PVA 0,2

0,4

0,6

0,2

0,4

0,6

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Nombre d'onde (cm-1)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Nombre d'onde (cm-1)

Les nanocharges

Cloisite® 10A

Cloisite® 15ACloisite Na+ Laponite

Nanocomposites: 5% d’argile en masseNanocomposites: 5% d argile en masse

Photovieillissement des supports polymères épais

Photovieillissement en absence d’oxygène

Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR

Jaunissement Modifications chimiques

0,20

0,25

hydr

oxyl

és

0,20

0,25

hydr

oxyl

és

PET0 4

0,5

nm

PETPC

0,10

0,15

pro

duits

h

0,10

0,15

pro

duits

h PET

0 2

0,3

0,4

ance

400

n PCPEN

0 00

0,05

0, 0

mat

ion

des

0 00

0,05

0, 0

mat

ion

des PC

PENPMMA

0 0

0,1

0,2

ΔAbs

orba

PMMA

F t j i t d PET PC t PEN• Réarrangement de la structure

0 200 400 600 800 1000 1200 14000,00

Form

Temps d'irradiation (h)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0,00

Form

Temps d'irradiation (h)0 500 1000 1500

0,0

Temps d'irradiation (h)

• Fort jaunissement du PET, PC et PEN.

• Pas de jaunissement pour le PMMA.

gchimique du PET, PC et PEN.

• Pas de modification pour le PMMA.

→ PMMA le plus stable photochimiquement, mais peu flexible

Nanocomposite PVA + Cloisite Na+

Elaboration et caractérisation des nanocomposites

Nanocomposite PVA + Cloisite NaMéthode de préparation

- Solution PVA /H2O sous agitation à 80°C pendant 2h- Solution Cloisite Na+ /H2O sous agitation à T ambiante pendant 2h

Mélange des 2 solutions aqueuses à T ambiante - sous agitation pendant une nuitg p- 30 min d’ultrasons avant dépôt

Elaboration de films de polymère nanochargés par banc d’enduction « Dr Blade »par banc d enduction « Dr Blade »

Nanocomposite PVA/ Cloisite Na+Spectroscopie IR

PVA + Na+5%

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

ce

PVA + Na+5%

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

ce

PVA + Na+5%

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

ce

‐ 1050 cm‐1 : Si‐O‐Si ‐ 522 cm‐1 : (Al, Mg)‐O‐ 465 cm‐1 : (Al, Mg)‐O

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Abs

orba

nc

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Abs

orba

nc

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Abs

orba

nc

0,4

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Nombre d'onde (cm-1)

0,4

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Nombre d'onde (cm-1)

0,4

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Nombre d'onde (cm-1)

Elaboration et caractérisation des nanocomposites

Diffraction des Rayons X

6000

7000 PVA seulPVA + Cloisite Na+

+

8000

Diffraction des Rayons X aux petits angles du PVA+cloisite Na+ 5% à l'état initial

Diffraction des Rayons X

3000

4000

5000

nten

sité

(u.a

.)

Coisite Na+

d001 = 7,68° ↔ 11,3 Å4000

6000

nten

sité

(u.a

.)

Après dispersion

10 20 30 40 50 60 700

1000

2000

In

2θ (°)1 2 3 4 5

0

2000

In

2θ (°)

p

2θ ( )

• Série de pics de diffraction qui correspond à une distance interlamellaire de 128 Å. → structure intercalée, voire exfoliée, avec un ordre à grande distance.

2θ ( )

, , g

Images TEM pour confirmer la dispersion

E f liéIntercalé Exfolié

Caractérisation des propriétés barrière des nanocomposites

Nanocomposite PVA + Cloisite Na+

→ Influence de l’argile sur la perméabilité à O2 et H2O2 2

PET PVA seul (déduit) PVA nanochargé Na+ seul (déduit)

)

20SM_090424b_PET50 20SM_090626b_PET50+PVANa+ 5% moyenné

0 01

0,1

1

*3

≈*230

mesurée (c

m3 *m

m/m

2 *d*a

tm)

supposé

≈*85

10

100

mic

rom

ètre

/m2/

j)

>300

1E-4

1E-3

0,01 ≈*3 mesuré

perm

éabi

lité

oxyg

ène

0,1

1

erm

éabi

lité

D2O

(g*

0 10 20 30 40 100 110 120

p

temps (heure) 0 1 20 40 60 80 100 120 140 1600,01

Pe

temps (h)

L’ j t d l’ il d l PVA di i l→ L’ajout de l’argile dans le PVA diminue la perméabilité à O2 du PVA d’un facteur 3

→ Perméabilité mesurée du nanocomposite 340 fois inférieure à

celle obtenue pour le PET

Relation entre la dispersion de l’argile observée en DRX et la diminution de perméabilité aux gaz et à l’humidité

Déroulement du projet PERENCAP

Journées thématiques du réseau NANORGASOL, Limoges (France) 21 – 22 Septembre 2009Vieillissement des matériaux polymères. Vieillissement des cellules solaires organiquesJ.-L. Gardette, A. Rivaton, S. Thérias, S. Chambon, M. Manceau, J. Gaume, A. Dupuis

JADH 09, 15e Journées d’Etude sur l’Adhésion,Presqu’île de Giens (France) 27 septembre—2 octobre 2009Revêtements ultra-barrières à propriétés multifonctionnelles durables pour application dans le photovoltaïque organiqueJ. Gaume, S. Thérias, A. Rivaton, J.L. Gardette

Tâches année 1 année 2 année 3

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

Tâche 1

Etat de l’art, choix des matériaux

Tâche 2 Mise en œuvre des matériaux "vierges" et nanochargés Tâche 2

Mise en œuvre des matériaux vierges et nanochargés et caractérisation des propriétés

Tâche 3 Vieillissement sous irradiation lumineuse des matériaux de la tâche 2

Tâche 4

Vieillissement photochimique des structures multicouches et évolution

de leurs propriétés fonctionnelles

Evolution des propriétés photoélectriques dans les

Tâche 5

conditions de fonctionnement des

cellules

PERENCAP

Choix du substrat polymère épais : compromisPET (stabilisé) et PMMA choc

Nanocomposites : effet de concentration et de la dispersion des nanocharges(2%, 5%, 7%, 10%) et optimisation de l’élaboration des argiles CloisiteNa+ et Laponite

Photovieillissement des nanocompositesinfluence de la présence des nanocharges sur le comportement du PVA ?

Photovieillissement des substrats et de la couche d’intercalation en présence de faible quantité d’oxygène

Photovieillissement des nanocomposites sur les substrats choisis : iété é i d’ dhé i t d é bilité d l t tpropriétés mécaniques, d’adhésion et de perméabilité de la structure

PERENCAP

Merci de votre attentionMerci de votre attention