organiques à base de nouvelles classes de matériaux actifs

Spectres d'absorption (trait plein) et d'émission (tirets) en solution dans CH2Cl2 des composés 2 (à gauche) et 3 (à droite). Spectres d'absorption (ligne continue) et EQE (tirets) des meilleurs BHJ basés sur 10/PCBM (à gauche) et 3/PCBM (à droite).

Introduction : Principes et Filières Photovoltaïques

Introduction

En fait, environ 14 TW de rayonnement solaire atteignent la surface de la Terre chaque heure, ce qui équivaut à la consommation énergétique mondiale en un an. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) a calculé qu'une superficie de 147 000 km² (soit 4 % de la superficie des déserts les plus secs) serait suffisante pour couvrir tous les besoins énergétiques de la planète.

Généralités sur la conversion photovoltaïque

• Le rayonnement solaire
• Effet photoélectrique et jonction p-n
• Caractérisations électriques et spectrales

La tension d'ouverture Voc correspond à la tension maximale de la cellule sous éclairage et à courant nul et est donnée par Cela dépend fortement de la mobilité des porteurs, de la qualité des interfaces et donc des résistances Rs et Rp qui modélisent les pertes.

Cellules solaires inorganiques

• Cellules solaires au silicium
• Cellules solaires en couches minces inorganiques
• Cellules solaires hybrides

La figure 1.7 montre la structure d'une cellule CdTe. Une couche (~ 3 m) de CdTe de type p est attachée à une fine couche (~ 0,1 m) de CdS de type n pour former une hétérojonction. Pour compléter la cellule, une couche d'oxyde métallique transparent TCO (Transparent Conducting Oxide : ITO, TO ou ZnO) recouvre la couche de CdS et sert de contact avant.

Cellules solaires organiques

• Architectures des cellules solaires organiques
• Cellules Schottky
• Cellules bicouches : hétérojonction planaire D/A
• Cellules à hétérojonction volumique ou BHJ
• Cellules à structure PIN
• Cellules Tandem
• Fonctionnement des hétéro-jonctions D/A
• Principaux Matériaux actifs pour BHJ
• Matériaux accepteurs
• Matériaux donneurs polymères
• Matériaux donneurs moléculaires

Cette architecture concilie donc les avantages de la structure double (bon contact des électrodes) et de la structure BHJ (interface D/A accrue dans la couche interne). Exemple de cellule tandem à base de polymère (à gauche) ; Spectres d'absorption des mélanges polymère : PCBM tirés de la publication Heeger citée ci-dessus47 (à droite).

Objectifs du travail

Analyse et optimisation du protocole de fabrication de cellules solaires organiques P3HT-

Introduction

Le développement important de la recherche sur les OPV de type hétérojonction en volume au cours de la dernière décennie a progressivement conduit les cellules utilisant le PCBM comme matériau accepteur et le poly(3-hexylthiophène) (P3HT) comme donneur à devenir le système de référence pour ce type de dispositif. Après un bref rappel des principaux résultats de la littérature sur le système P3HT-PCBM, une procédure de fabrication sera développée en se concentrant sur les conditions de dépôt et de recuit thermique.

Etat de l’art

Schilinsky et al.19 ont montré une amélioration des performances photovoltaïques liée à une augmentation de la phase cristalline du P3HT de Mw jusqu'à 40 000. Encore plus récemment, Woo et al.26 ont observé une augmentation de la mobilité des trous avec le RR. La concentration de la solution de dépôt et les concentrations relatives de P3HT et de PCBM.

De nombreuses études ont analysé l'influence des traitements thermiques sur la morphologie de la couche active et les performances photovoltaïques.

Etude des films P3HT

Les films de chaque échantillon déposés dans les mêmes conditions ont été chauffés pendant 10 minutes à 130°C et les diagrammes de rayons X ont été enregistrés avant et après le recuit. De manière générale, les diffractogrammes des trois lots de P3HT obtenus avant recuit montrent 3 pics de faible intensité pour les angles comme illustré sur la Figure 2.4. Le recuit produit une légère augmentation de l'intensité maximale aux angles faibles sans effet notable sur la cristallinité, ce qui est cohérent avec les données optiques.

Les images AFM en mode contact, enregistrées à différents endroits de l'échantillon, montrent une parfaite homogénéité avant et après recuit de 10 minutes à 130°C (Fig. 2.5).

Etude des films P3HT-PCBM

Les diffractogrammes des films pris avant et après recuit révèlent un rehaussement et une augmentation de l'intensité des pics aux petits angles, traduisant une augmentation de la cristallinité du P3HT. Les images AFM montrent dans tous les cas un état de surface homogène avant traitement thermique avec une faible rugosité de surface (0,4 nm), tandis que le recuit provoque une augmentation de la rugosité (Figure 2.8).

Influence des conditions de dépôt sur les propriétés optoélectroniques des films P3HT-PCBM

• Température de la solution de dépôt

Pour étudier l'effet de la température de la solution de dépôt, des films P3HT/PCBM ont été enduits par centrifugation à partir de solutions à trois températures différentes : température ambiante (conditions standard), une solution chauffée à 75 °C et une solution refroidie à 0 °C. C. La comparaison des spectres de films obtenus à partir de solutions chauffées et refroidies montre que dans ce dernier cas le spectre présente un décalage bathochromique et une structure vibrationnelle distincte, ce qui indique une organisation plus ordonnée des chaînes P3HT.

Elaboration de cellules de type hétérojonction volumique (BHJ)

• Mise au point des conditions de dépôts des films P3HT-PCBM
• Mise au point des conditions optimales de recuit

Nous avons ensuite également analysé l'effet du temps de recuit sur les meilleures cellules déposées à [300rpm-3s, 600rpm-9s] et [300rpm-3s, 780rpm-9s] dont les premiers résultats après 20 minutes de recuit sont présentés dans le tableau 2.7. Variation de Jsc avec la puissance lumineuse incidente (PAM1.5) de la meilleure cellule 3/PCBM (en haut : échelle linéaire ; en bas échelle logarithmique). Figure 11 : Effet du temps de recuit à 130°C et des conditions de dépôt sur les propriétés photovoltaïques des cellules 2/PCBM (sous conditions d'éclairage : AM1.5 à 90 mW cm-²).

Effet de la température de recuit (durée fixe de 10 min) sur les propriétés des cellules 1/PCBM, sous éclairage AM1.5 à 90mW cm-².

Conclusion

Elaboration de cellules solaires organiques à base de nouveaux donneurs dérivés du

• Introduction
• Propriétés électroniques des chromophores DPP
• Propriétés physiques des films
• Evaluation des propriétés photovoltaïques
• Elaboration de cellules bicouches
• Elaboration de cellules BHJ
• Conclusion
• Références

12,13 Cet effet est également observé dans cette série et le remplacement de l'oxygène par le soufre produit un décalage bathochrome important de 0-0 de 688 à 718 nm pour le BFT-OS et le BFT-SS respectivement, accompagné d'une forte réduction de la coefficient d'absorption ainsi qu'une réduction significative de l'écart (Fig. 3.3 et Tableau 3.1). En revanche, le remplacement de l'oxygène par du soufre provoque un effet encore plus drastique avec une réduction de Bv en dessous de 1,55 eV pour le BFT-SS. En revanche, ils révèlent que le remplacement de l'oxygène par le soufre entraîne une réduction significative de l'écart à travers une légère augmentation du HOMO et une forte réduction du LUMO, une réduction des coefficients d'absorption et, enfin, une complète extinction de la fluorescence.

Figure 5 : Comparaison des paramètres photovoltaïques des cellules BHJ basées sur BFT/PC61BM et BFT-SS/PC61BM sous éclairage AM1.η d'intensité λ0 mW cm-2.

Elaboration de cellules solaires organiques à base de nouveaux donneurs dérivés du

Introduction

Il est ainsi possible de moduler finement les niveaux électroniques des orbitales frontières par des substitutions effectuées aux positions R1-R9. A l’inverse, la substitution de la position R4 aura très peu d’impact sur les niveaux électroniques du fait de la déconjugaison provoquée par l’encombrement stérique. Les applications des BODIPY sont nombreuses, principalement dans les domaines de la biologie moléculaire et de la biochimie.

Elles sont utilisées comme sondes fluorescentes pour le marquage de protéines, de membranes3 ou de cellules4. Elles permettent également la détection d'ions, de métaux lourds 5,6, de métaux de transition7 ou de gaz8 par modification de fluorescence.

Evaluation de nouveaux donneurs dérivés du BODIPY

• Propriétés optoélectroniques
• Elaboration de cellules solaires à hétérojonction D/A

Spectres d'absorption UV-Vis des films des composés 1 (en pointillés), 2 (en pointillés), 3 (ligne continue) sur ITO/PEDOT-PSS. À droite) Spectres d’absorption UV-Vis des films des composés 1 (en pointillés), 2 (en pointillés), 3 (ligne continue) sur ITO/PEDOT-PSS. PC61BM et (Fig. 4.10) dans les deux cas montrent une bonne correspondance avec les spectres d'absorption correspondants.

La figure 4.12 montre le spectre d'absorption des films à base de 6/PCBM (à gauche) et 7/PCBM (à droite) préparés par filage selon les conditions utilisées pour les composés 2 et 3.

Cellules solaires organiques à base de donneurs multiples

La figure 4.20 rassemble les réponses spectrales et électriques de la meilleure cellule produite à 1200 tr/min pendant θ0s. La figure 4.21 rassemble les réponses spectrales et électriques de la meilleure cellule produite à 800 tr/min pendant 60 s. La figure 4.21 (à droite) montre les caractéristiques électriques (J-V) de la meilleure cellule basée sur 2, 3 et PCBM.

La figure 4.22 représente les réponses spectrales et électriques de la meilleure cellule produite à 800 tr/min pendant 60 secondes avec 67 % de PCBM.

Optimisation du transport de charges positives

En revanche, le spectre du film du composé 10 montre d'abord une augmentation de la densité optique après quelques minutes de recuit à 50 °C, suivie d'une diminution de l'absorbance et d'une décomposition au-dessus de 130 °C. °C. La figure 4.29 montre le spectre d'absorption de la meilleure cellule 10/PC61BM et le spectre EQE correspondant. Les caractéristiques J-V permettent le calcul de la résistance série (Rs = 22 Ω cm² dans l'obscurité et Rs = 17 Ω cm² en éclairage AM1.5) en fonction de la réduction de la résistance superficielle de l'ITO (10 Ω /□ au lieu de 20Ω.

31. Caractéristiques J-V de la meilleure cellule BHJ 10/PCBM réalisée avec 67% de PCBM et déposée sur qualité ITO (10 Ω /□).

Conclusion

Conclusion générale et perspectives

Les résultats d'études optiques et électrochimiques ont montré que la modification de la composition des chaînes latérales a peu d'influence sur les niveaux d'énergie des molécules, mais influence fortement l'efficacité des dispositifs photovoltaïques. Le remplacement des groupes cétones du DPP par des unités thiocétones entraîne une réduction significative de la bande interdite du matériau en raison d'une forte réduction du LUMO. Cependant, ces changements s’accompagnent d’une extinction complète de la fluorescence ainsi que d’une perte totale de l’efficacité de la conversion photovoltaïque.

Enfin, l'introduction d'une chaîne bithiophène dans la structure électronique a permis de démontrer que l'optimisation de la mobilité des trous, indépendamment des propriétés d'absorption, permet d'améliorer significativement le photocourant et d'atteindre des performances conduisant à sont les meilleures rapportées à ce jour. . pour les BHJ moléculaires basés sur des accepteurs dérivés de C60.

Annexe expérimentale

Description des étapes technologiques de fabrication des CSO

• Traitement de surface de l’ITO
• Dépôt et caractérisations de la couche PEDOT : PSS
• Dépôt de la couche active
• Dépôt de la cathode par évaporation thermique sous vide

Masque d'évaporation qui permet l'application d'une couche active organique (donneur et/ou accepteur) dans la réalisation de bicouches. Un masque d'évaporation spécialement conçu pour l'application de la cathode en aluminium dont la géométrie détermine la surface active de la cellule. Après application de l'accepteur C60, un changement de masque est nécessaire pour évaporer la cathode en aluminium.

Pour les besoins de l'étude, les films peuvent occasionnellement être chauffés avant le dépôt de la cathode d'aluminium.

Caractérisations des couches minces

• Spectroscopie d’absorption UV -Visible
• Voltampérmétrie cyclique
• Diffraction des rayons X
• Caractérisation électrique J-V
• Caractérisation spectrale

15 : Schéma de principe de diffraction des rayons X (à gauche) ; Plans réticulaires et notations (à droite). Cette dernière est obtenue à partir d'une lecture de puissance sur le wattmètre Melles Griot 13PEM001 comme suit. Le banc de caractérisation EQE permet de mesurer la réponse spectrale du dispositif en fonction de la longueur d'onde.

Les signaux extraits de la cellule photovoltaïque organique et de la photodiode de référence sont de nature électrique (respectivement courant I1 et courant I2 convertis en tension).

Evaluation de la mobilité des trous par la méthode SCLC

• Mise en œuvre expérimentale
• Caractérisation électrique et extraction de la mobilité
• Résultats avec le P3HT
• Résultats avec les BODIPYs

Aux basses valeurs de tension, la caractéristique est linéaire et correspond au régime décrit par la loi d'Ohm. Au-delà d'une tension V0, le courant s'écarte de la droite et suit une loi quadratique (J~βµV2). La mobilité des charges peut être dérivée directement de la courbe de l'équation suivante, également connue sous le nom de loi de Child pour les solides.8-11.

La mise en œuvre de la technique SCLC de mesure de la mobilité a fait l'objet d'un.

Synthèse de nouveaux matériaux moléculaires