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Matériaux pour l’énergie : photovoltaïque et production d’hydrogène

PHC : Maghreb
Codes du projet : 13MAG08 -- Campus N° 30255ZJ
Domaine : Energie
Intitulé : Matériaux pour l’énergie : photovoltaïque et production d’hydrogène
Porteur(s) : TRIKI Smail
Date de début : 01/01/2013
Date de fin : 31/12/2015

Le projet PHC Maghreb (13MAG08), intitulé Matériaux pour l’énergie : photovoltaïque et production d’hydrogène, associe 5 équipes (France : Brest (Equipe 1) et Versailles (Equipe 2) ; Tunisie : Sfax (Equipe 3) ; Algérie : Tizi-Ouzou (Equipe 4) ; Maroc : Fès (Equipe 5)) ayant des expertises complémentaires dans les domaines vastes et variés de la physico-chimie des matériaux et de la chimie moléculaire.

En raison notamment des restrictions croissantes des accès aux ressources pétrolifères et des problématiques écologiques associées au nucléaire, les alternatives énergétiques, telles que le photovoltaïque et la production d’hydrogène (H2), suscitent actuellement un intérêt socio-économique et scientifique renforcé. En conséquence, l'objectif principal de ce projet collaboratif est le développement et l'étude de matériaux fonctionnels innovants présentant un potentiel applicatif dans le domaine de l’énergie, avec un accent particulier porté au photovoltaïque et à la production d’hydrogène. Pour atteindre cet objectif, deux types de matériaux, complémentaires, sont envisagés, à travers la mise en œuvre de deux approches différentes, mais corrélées :
(i) Une approche nano-hybride basée sur le développement d’hétérostructures du type "NanoParticule-Edifice de Coordination" et,
(ii) Une approche moléculaire basée sur la conception de matériaux Organique-Inorganique hybrides auto-assemblés, de type pérovskite de formules (R-NH3)2MX4 ou (NH3-R-NH3)MX (R :CnH2n+1 ; M : Cd, Pb ; X :I, Br, Cl).

Il est crucial de spécifier que bien qu’aboutissant à des matériaux distincts, les deux approches, particulièrement originales dans le domaine compétitif des matériaux pour l’énergie, ne sont pas indépendantes l’une de l’autre et présentent une forte corrélation. En effet, la stratégie de conception est comparable pour les deux orientations avec notamment la mise en commun systématique de précurseurs de départ. Plus précisément, la genèse de ces matériaux nécessitera la synthèse préalable de complexes moléculaires qui seront indistinctement considérés pour les deux approches. Par ailleurs, les propriétés développées, dans les deux cas, se réfèrent toutes au domaine de l’énergie.

Objectifs

Le projet, situé dans le domaine des matériaux pour l’énergie et plus particulièrement dans celui du photovoltaïque et de la production de l’hydrogène, est en parfaite adéquation avec la conjoncture actuelle des ressources énergétiques. Ainsi, l'objectif essentiel est centré autour de la conception et du développement de nouvelles générations de matériaux fonctionnels ayant des applications potentielles dans le domaine du photovoltaïque et de la production d’hydrogène. Pour atteindre cet objectif, deux types de matériaux, complémentaires, sont envisagés selon deux approches différentes mais corrélées (Cf. Objectifs détaillés ci-après).

En cohérence avec les réquisits scientifiques, le projet s’établit sur l’association de cinq équipes (France : Brest (Equipe 1) et Versailles (Equipe 2) ; Tunisie : Sfax (Equipe 3) ; Algérie : Tizi-Ouzou (Equipe 4) ; Maroc : Fès (Equipe 5)), disposant toutes de compétences complémentaires établies dans les larges domaines de la chimie moléculaire et de la physico-chimie des matériaux. Outre la complémentarité clairement avérée au sein du partenariat défini, la viabilité du projet est renforcée par le fait que les collaborations envisagées sont, pour majeure partie, déjà effectives. En effet, plusieurs résultats ont d’ores et déjà été obtenus dans le cadre de plusieurs projets inter-équipes (PHC Tassili 08MDU732, 2008-2011, Projet de coopération CNRS-DGRS 2010-2012) mais également lors de séjours de membres d’équipes (Professeur invité). A ce jour, le bilan résultant est très positif : trois thèses de magistère soutenues, deux thèses entamées ainsi qu'une vingtaine de publications communes. Ce contexte partenarial, avec la préexistence de collaborations efficaces entre certaines équipes sollicitées, constitue un élément facilitateur pour le développement du projet et consolide, par la même, la faisabilité de sa réalisation.

Résultats

Les caractéristiques singulières de ces matériaux, alliées à leur faible coût de fabrication, permettent raisonnablement entrevoir des applications pertinentes dans le secteur de l’énergie, notamment dans les domaines de l’éclairage à très faible consommation, comme diodes émettrices de lumière « LED » [1] et dans le domaine photovoltaïque [2,3] où de sérieux progrès ont été effectués. Cependant, l’idée d’exploiter ces matériaux pour l’éclairage dans le visible reste relativement peu explorée. En plus de leurs applications intéressantes dans le domaine des OILED (Organic-inorganic Light Emitting Diodes) [4,5], ces matériaux sont aussi attractifs comme nouvelles classes de matériaux pour les transistors à effet de champ "FET" (Field Effect Transistors) [6,7]

L’année 2014 a constitué pour nous une année charnière en termes de synthèse de pérovskites photoluminescentes aux propriétés thermodynamiques et optiques originales. Les nombreux matériaux hybrides préparés et caractérisés en 2013 ont fait l’objet d’études optiques et optoélectroniques approfondies en 2014. Nous présenterons dans ce qui suit deux résultats marquants et hautement significatifs :

Résultat marquant.

Etude des propriétés optiques du composé (C6H11NH3)2 PbBr4 : émission de lumière blanche.

A température ambiante, le spectre d’absorption d’une couche mince de (C6H11NH3)2 PbBr4 présente un pic intense d'absorption excitonique à 3.18 eV provenant des couches PbBr42-. La présence d'une bande excitonique à la température ambiante suggère une grande énergie de liaison. La bande d'absorption localisée à 4 eV a été attribuée aux transitions inter-bandes. Sous excitation à 325 nm à la température ambiante, le composé montre une très large émission, sous forme de gaussienne, qui couvre l'ensemble du spectre visible, avec un maximum à 1.98 eV et une largeur de 660 meV avec un grand décalage de Stokes (1.2 eV). C’est la première fois que nous étudions un composé avec de telles caractéristiques de luminescence forte dans le domaine du visible. Il est clair qu’il s’agit là d’un système extrêmement prometteur du point de vue des applications, même s’il reste à mesurer les rendements quantiques de cette luminescence et les comparer aux systèmes commerciaux. Nous avons réussi à mener des investigations assez poussées sur ce système en fonction de la température et nous avons réussi à mesurer la variation thermique de l’intensité de la bande de lumière blanche. En particulier, il est apparu que celle-ci semble s’exalter lorsque la désexcitation radiative des deux pics à haute énergie (3,05 eV et 3.11 eV) est thermiquement activée (Cf. Publication N° 6 : J. Phys. Chem. C (DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b06211).


Informations supplémentaires

Université de Tizi-Ouzou

Partenaire algérien
Tizi-Ouzou
http://www.ummto.dz/

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
Laboratoire de physico-chimie des matériaux


Responsable(s)
--

Université de Sétif

Partenaire algérien
Sétif
http://www.univ-setif.dz/

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
Laboratoire de Chimie

Ingénierie Moléculaire et Nanostructures LCIMN


Responsable(s)
--

Université de fès

Partenaire marocain
Fès
http://www.fst-usmba.ac.ma/

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
Laboratoire de Chimie Organique Appliquée


Responsable(s)
--

Université de Sfax

Partenaire tunisien
Sfax
http://www.uss.rnu.tn/

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
Laboratoire de Physique Appliquée


Responsable(s)
--

Nouveaux matériaux magnétiques à base d’anions polynitrile fonctionnalisés

Codirection - These - En cours
Par : Taous HOUARI
Début de thèse : 01/01/2013
Présenté le : 20/12/2017
A : Tizi-Ouzou
Co-directeurs :
  • Prof. Smail TRIKI UMR CNRS 6521
  • Université de Brest, Brest

Synthèse de polyazamacrocycles substitués par des groupements riches en électrons  : vers des complexes magnétiques ou à transition de spin.

Codirection - These - En cours
Par : Merzouk HALIT
Début de thèse : 01/01/2013
Présenté le : 20/11/2017
A : Tizi-Ouzou
Co-directeurs :
  • Prof. Smail TRIKI UMR CNRS 6521
  • Université de Brest, Brest

Conception de matériaux moléculaires magnétiques à base d'anions polynitrile flexibles et co-ligands rigides

Codirection - These - En cours
Par : Kahina NEBBALI
Début de thèse : 01/01/2013
Présenté le : 30/11/2016
A : Tizi-Ouzou
Co-directeurs :
  • Prof. Smail TRIKI UMR CNRS 6521
  • Université de Brest, Brest

Synthèse, caractérisations et propriétés optiques de nouveaux matériaux hybrides luminescents

Cotutelle - These - En cours
Par : Aymen YANGUI
Début de thèse : 01/01/2013
Présenté le : 29/10/2016
A : Versailles
Co-directeurs :
Non renseigné

Systèmes dinucléaires du fer modèles du site actif d’hydrogénases [FeFe] et systèmes commutables à base de Fe(II)

Cotutelle - These - En cours
Par : Rachid MOTEI
Début de thèse : 01/01/2013
Présenté le : 22/10/2017
A : Fès
Co-directeurs :
  • Prof. Smail TRIKI et Prof. Philippe Schollhammer UMR CNRS 6521
  • Université de Brest, Brest

Publications

     

    1 – Spin Crossover Iron (II) Coordination Polymer Chain: Synthesis, Structure and Magnetic Characterization of [Fe(abpt)2(Pt(CN)4)]. F. Setifi, C. Charles, S. Houille, F. Thétiot, S. Triki, C. J. Gómez-García, S. Pillet. Polyhedron 2013, 61, 242–247.
    2 – Structural characterization, vibrational, optical properties and DFT investigation of a new luminescent organic-inorganic material: (C6H14N)3Bi2I9. H. Dammak, A.Yengui, S. Triki, Y. Abid, H. Feki, J. of Luminescence 2015, 161, 214-220.
    3 - Evidence and detailed study of a second-order phase transition in the (C6H11NH3)2[PbI4] organic-inorganic hybrid material, A. Yangui, S. Pillet, D. Garrot, S. Triki, Y. Abid, and K. Boukheddaden, J. Appl. Phys. 2015, 117, 115503
    4 - Structural, vibrational and optical properties of a new self assembled organic-inorganic nanowire crystal (C6H14N)2[BiBr5]. A Density Functional Theory approach. H. Dammak, S. Triki, H. Feki, Y. Abid, J. of Luminescence 2015, 166, 180-186.
    5 - Polypyridyl-based Cu(II) coordination polymers: synthesis, structural and magnetic characterizations. K. Déniel, K. Nebbali, N. Cosquer, F. Conan, S. Triki, S. Yefsah, C. J. Gómez-García, Polyhedron 2015, 97, 253–259.
    6 – Optical investigation of Broadband White-light Emission in a Self-assembled Organic-inorganic Perovskite (C6H11NH3)2PbBr4. A. Yangui, D. Garrot, J.-S. Lauret, A. Lusson, G. Bouchez, E. Deleporte, S. Pillet, E.-E. Bendeif,S. Triki, Y. Abid, K. Boukheddaden, J. Phys. Chem. C (DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b06211).
    7 - Structural, vibrational and optical investigation of a new one- dimensional self-assembled organic–inorganic nanowire crystal (C9H10N2)PbCl4, Physical Chemistry Chemical Physics (en révision).
    8 – Phase transitions causing anomalous photolumisecnce behavior in the two-dimensional organic-inorganic (C6H11NH3)2[PbI4] perovskite, A. Yangui, Y. Abid, A. Mlayah, A. Lusson, G. Bouchez, S. Triki, Y. Abid, K. Boukheddaden, J. Chem. Phys. (en revision).

    Communications

    Bien que les résultats soient relativement récents, nous avons pu communiquer et publier un certains nombre de résultats.

    Communications orales :

    1 - A. Yangui, D. Garrot, S. Triki, Y. Abid, K. Boukheddaden, Etude des Propriétés Optiques sur des Pérovskites Organiques-Inorganiques à base de PbI2. GdR Magnétisme et Commutation Moléculaires 2 (MCM2), Dourdan 10-12/12/2014
    2 – A. Yangui, D. Garrot, S. Triki, Y. Abid, K. Boukheddaden , X-ray diffraction, vibrational and optical properties of a self-assembled    organic-inorganic crystal (C6H11NH3)2PbI4, International Conference on Spectroscopy and Application, 02-04- Mai 2014, Hammamet, Tunisia

    Communications par affiches:

    1 - A. Yangui, S. Pillet, S. Triki, Y. Abid, K. Boukheddaden, Second-order phase transition in the (C6H11NH3)2[PbI4] organic-inorganic material. GdR Magnétisme et Commutation Moléculaires 2 (MCM2), Dourdan 10-12/12/2014
    2 – Isomerism effect on the SCO behaviour in the cyanocarbanion based-systems [Fe(DPA)2(A)2] (DPA = dipyridylamine, A- = Cyanocarbanion). K. Nebbali, F. El Hajj, S. Triki, S. Yefsah, C. J. Gómez-García. European Conference on Molecular Magnetism 2015 (ECMM2015), Zaragoza, Spain, 6-10 September 2015

     

    Références

     

    1 - Hattori, T., et al., Highly efficient electroluminescence from a heterostructure device combined with emissive layered-perovskite and an electron-transporting organic compound. Chemical Physics Letters, 1996. 254(1–2): p. 103-108

    2 - Gratzel, M., The light and shade of perovskite solar cells. Nat Mater, 2014. 13(9): p. 838-842

    3 - Hao, F., et al., Lead-free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells. Nat Photon, 2014. 8(6): p. 489-494

    4 - Mitzi, D.B., IBM J. Res. & Dev., 2001. 45: p. 29.

    5 - Mitzi, D.B., et al., High-mobility ultrathin semiconducting films prepared by spin coating. Nature, 2004. 428(6980): p. 299-303

    6 - Kagan, C., D. Mitzi, and C. Dimitrakopoulos, Organic-inorganic hybrid materials as semiconducting channels in thin-film field-effect transistors. Science, 1999. 286(5441): p. 945-947

    7 - Al-Mohamad, A. and M. Soukieh, Solar cells and high efficiency photo-diodes having metal-organic thin film-semiconductor structures. Thin Solid Films, 1995. 271(1–2): p. 132-137.

    8 – Billing, D.G. and A. Lemmerer, Synthesis, characterization and phase transitions of the inorganic–organic layered perovskite-type hybrids [(CnH2n+1NH3)2PbI4] (n = 12, 14, 16 and 18). New Journal of Chemistry, 2008. 32(10): p. 1736

    9 - Barman, S., et al., Phase Transitions in the Anchored Organic Bilayers of Long-Chain Alkylammonium Lead Iodides (CnH2n+1NH3)2PbI4;n= 12, 16,

    18. The Journal of Physical Chemistry B, 2003. 107(8): p. 1875-1883.

    Conférences et séminaires

    Etude des Propriétés Optiques sur des Pérovskites Organiques-Inorganiques à base de PbI2. GdR Magnétisme et Commutation Moléculaires 2 (MCM2), Dourdan 10-12/12/2014

    Acte de colloque
    GdR Magnétisme et Commutation Moléculaires 2 (MCM2)
    A : Dourdan, France
    Du : 10/12/2014
    Au : 12/12/2014
    Participants :
    A. Yangui, D. Garrot, S. Triki, Y. Abid, K. Boukheddaden

    X-ray diffraction, vibrational and optical properties of a self-assembled organic-inorganic crystal (C6H11NH3)2PbI4

    Acte de colloque
    International Conference on Spectroscopy and Application
    A : Hammamet, Tunisie
    Du : 02/05/2014
    Au : 04/05/2014
    Participants :
    A. Yangui, D. Garrot, S. Triki, Y. Abid, K. Boukheddaden

    Second-order phase transition in the (C6H11NH3)2[PbI4] organic-inorganic material.

    Acte de colloque
    GdR Magnétisme et Commutation Moléculaires 2 (MCM2)
    A : Dourdan, France
    Du : 10/12/2014
    Au : 12/12/2014
    Participants :
    A. Yangui, S. Pillet, S. Triki, Y. Abid, K. Boukheddaden,

    Isomerism effect on the SCO behaviour in the cyanocarbanion based-systems [Fe(DPA)2(A)2] (DPA = dipyridylamine, A- = Cyanocarbanion).

    Acte de colloque
    European Conference on Molecular Magnetism 2015 (ECMM2015)
    A : Zaragoza, Espagne
    Du : 06/09/2015
    Au : 10/09/2015
    Participants :
    K. Nebbali, F. El Hajj, S. Triki, S. Yefsah, C. J. Gómez-García

    PHC 01

    Appel à projet 2017

    L'appel à projet 2017 du PHC Maghreb est ouvert sur le site de Campus France du 3 février au 4 avril 2016