PERENCAP 2009ST [Mode de compatibilité]
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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