Transcript TiO 2 pour l`énergie photovoltaïque

TiO2 pour l’énergie
photovoltaïque
1. Principe de l’effet photovoltaïque
1 matériau semi-conducteur qui produit de
l’électricité quand il absorbe un photon.
Semi-conducteurs utilisés: Si, CdS, CdTe…
Source: D. Lincot, J.F. Guillemoles
La jonction P-N
Ajout d’impuretés
pour modifier la proportion de trous et
1: excitation d’un e de la BV
la BCnpar
d’un photon.
d’eà- (type
ou absorption
p)
- vers
Mise en
contactentraine
d’un semi-conducteur
del’e
type
n avec
un
2: le champ
électrique
le trou vers p et
n
semi-conducteur de type p
=> création d’un courant
Vers des cellules de 3ème génération
 Pourquoi TiO2?
 Bonne stabilité thermique,
 Prix de revient
raisonnable (Si cher),
 Non toxique
 Mais gap large: absorbe
dans l’UV…
 Solution: associer TiO2 à
un colorant qui absorbe
dans le visible
Source: D. Lincot, J.F. Guillemoles
Principe de fonctionnement d’une cellule à colorant:
col
Et la chimie?
couche de TiO2 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).
Film colloïdal de structure anatase.
Nécessité d’une structure homogène
=> quelles méthodes de synthèse?
TiO2 dans tous ses états
 3 formes principales :
 Anatase (I41/amd)
 Rutile (P42/mnm)
 Brookite (Pcab)
Approche CHIMIQUE : « Bottom up »
Méthodes impliquant la transformation
chimique d’un précurseur

Synthèse par voie sol-gel
(différentes méthodes de dépôts)

Synthèse par dépôt vapeur chimique
CVD (Chemical Vapor Deposition)
CNRS, Orléans.
Procédé de SOL-GEL
Définition :
 Sol = particules solides dispersées dans un liquide
Gel = liquide piégé dans un réseau de particules solides
Consiste à obtenir phase solide par polymérisation à
T°amb. de précurseurs moléculaires en solution.
Précurseurs = alcoxydes
Chimie de la polymérisation Sol-Gel
Techniques de dépôts (1)
Plusieurs méthodes pour mettre en contact TiO2 ainsi
obtenue avec support :
Dip coating:
Immersion du support
dans la solution puis
retiré lentement
 obtention couche
uniforme.
Techniques de dépôts (2)
Spin coating:
 Pour un support plat
 Vitesse de rotation de
l’axe  étalement
uniforme de la
solution colloïdale de
TiO2
Spray coating
Pulvérisation de la solution de TiO2 sur support à
recouvrir
TiO2 dans tous ses états
 Forme majoritairement utilisée : anatase
 Conditions d’obtention:
 Anatase: 2 < pH < 6 (gap 3.2eV)
 Rutile: thermolyse de solutions acides T~100°C (gap 3.02eV)
 Brookite: thermolyse en milieu chlorure ou nitrate
 Principales voies d’obtention d’anatase
 22
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publications
22 travaillent sur l’anatase
1 ne dit pas ce qu’il obtient « TiO2 nanoparticles »
3 « prouvent » qu’ils obtiennent de l’anatase pure
3  proportions anatase/rutile
15 « déforment » la vérité
Obtention de l’anatase
 Solution de départ : solution d’alkoxydes:
• TTiP: Titanium Tetra iso Propoxyde :Ti(OiPr)4
• TiOB: Ti(OtBu)4
 Composition de la solution:
• Alkoxyde
• Alcool (MeOH, iPrOH)
• H2O distillée + Acide (HCL, HNO3 ou AcOOH)
Gel
 Mécanismes mis en jeu :
• Hydroxylation + condensation + hydrolyse (cf. cours 7)
• Points importants :
 Taux d’hydroxylation: 2,8 « élevé » réticulation
 Monomères à hydrolyse « rapide » particules très hétérogènes!
Analyse critique des synthèses
 Meltin Pot : anatase, rutile, brookite? (chauffage)
 Dispersion en taille  effet de surface sur absorption
 M. Koelsch, S. Cassaignon, J.P. Jolivet, Mat. Res. Soc.
Symp. Proc. 2004, 822, S5.3.1
 Même activité pour les 3 formes si bonne synthèse!
Conclusion
Source: D. Lincot, J.F. Guillemoles
Conclusion
 Pourquoi des Cellules à colorant?
 REACH
 « Sur la base des émissions CO2 moyennes de Belgique (où les cellules
Photovoltech sont fabriquées) et d'une utilisation de ces cellules en milieu
tempéré, on calcule que l'électricité photovoltaïque émet sur son cycle de vie
complet l'équivalent de 60g CO2 pour chaque kWh qu’elle produit. Par
comparaison, une centrale à charbon émet 900g CO2/kWh, un cycle combiné à
gaz, 450g; ou encore (en tenant compte du cycle de vie complet); une éolienne,
28g; un barrage, 14g; une centrale nucléaire, 4g. »
• De la mise au point des cellules photovoltaïques à leur
industrialisation, Suez
Annexe explicative A:
Annexe explicative B: