LiF/Al dépend des différents solvants utilisés pour le dépôt de la couche active. Ensuite, nous présentons toutes les étapes d'optimisation de la cellule photovoltaïque basée sur le composite MEH-PPV:PCBM.
Motivations
Contexte ´ energ´ etique mondial
Dans chacun de ces domaines, la recherche a un rôle clé à jouer pour proposer de nouvelles solutions et identifier les avancées scientifiques et les barrières technologiques. Il est donc nécessaire de poursuivre une approche globale basée sur un « mix » énergétique pour créer de nouvelles technologies répondant aux critères d'efficacité, d'acceptabilité économique, sociale et de protection de l'environnement.
Avantages du photovolta¨ıque
La problématique des modes de production de l’énergie et de sa juste répartition est donc cruciale pour l’humanité. Dans ce contexte, le développement durable implique une approche qui doit simultanément viser à
Historique
Avec l’amélioration du rendement de conversion et la réduction des coûts de production, le marché photovoltaïque s’est considérablement développé. Cependant, le photovoltaïque représente moins de 0,1 % de toute la production énergétique mondiale.
Effet photovolta¨ıque dans les cellules organiques
Transport et collecte de charges : Le transport de charges vers les électrodes est contrôlé par la mobilité des porteurs dans les couches organiques. La différence entre la partie sortie des électrodes réside dans la source du champ électrique, qui permet la collecte des porteurs de charge sur leurs électrodes respectives (électrons sur la cathode et trous sur l'anode).
Caract´ eristiques des cellules photovolta¨ıques
- Rayonnement solaire
- Absorption
- Caract´ eristique courant-tension
- Circuit ´ electrique ´ equivalent
Les performances d'une cellule photovoltaïque sont caractérisées par un certain nombre de paramètres, issus de la caractéristique courant-tension (Figure 1.3). Cela dépend de la différence dans le travail de sortie des électrodes [Yu95b, Liu01] et également de la différence entre le niveau HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) du donneur et le niveau LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) de l'accepteur [Bra01a , Bra02a, Pra04].
Structures des cellules photovolta¨ıques organiques
- Structure monocouche
- Structure bicouche
- Structure r´ eseau interp´ en´ etr´ e
- Structure lamin´ ee
Les deux plaquettes obtenues sont ensuite mises en contact l'une avec l'autre en appliquant une légère pression et en chauffant l'une d'elles (Figure 1.8). Ainsi, lors du processus de laminage, les molécules peuvent diffuser d'une couche à l'autre pour former une couche de mélange D+A, où les excitons peuvent se dissocier.
Etat de l’art
- Cellules PV ` a base de petites mol´ ecules : Phtalocyanine
- Cellules PV ` a base de polym` eres
- Conclusion
- Photoexcitation dans les polym` eres
- Conduction et m´ ecanismes de transport dans les polym` eres conjugu´ es 54
Le photocourant fourni par cette cellule (Al/P3MT/Au) dépend principalement de la structure et de la régularité du polymère. L'analyse des caractéristiques IV de cette cellule en fonction de la température et de l'intensité lumineuse a été réalisée [Chi03b].
Composite polym` ere conjugu´ e-fuller` ene
La dissociation des excitons à l'interface entre le polymère et le fullerène résulte d'un transfert de charge entre ces deux espèces (figure 2.7). Par conséquent, l’efficacité de photogénération des charges dans un système composite polymère π et fullerène est proche de 100. 2.7 – Schéma (à gauche) et diagramme énergétique (à droite) illustrant le transfert d’électrons photo-induit entre le polymère π-conjugué et les fullerènes.
Le transfert des trous du fullerène photoexcité vers le polymère suit les mêmes étapes.
Interface ´ electrode-semiconducteur
Contact ohmique
Fig.2.8 – Diagramme énergétique d'un contact ohmique entre un métal et un semi-conducteur de type p. A l'inverse, dans le cas d'un semi-conducteur de type n, un contact ohmique apparaît lorsque le travail en sortie du semi-conducteur ψsc est supérieur au travail en sortie du métal ψm.
Contact rectifiant
2.9 – Diagramme énergétique d'un interrupteur redresseur entre un métal et un semiconducteur de type p. Pour un type de semi-conducteur, le contact est redressé lorsque le travail de sortie du semi-conducteur est inférieur au travail de sortie du métal. 2.10 – Diagramme énergétique de la structure globale à hétérojonction MDMO-PPV:C60 dans les conditions de bande plate (à gauche) et de court-circuit (à droite).
A∗ représente la constante de Richardson effective, T est la température absolue, k est la constante de Boltzmann J·K−1), et ψ représente la différence entre le travail de sortie du métal et l'affinité électronique du semi-conducteur.
Param` etres influen¸cant les performances des cellules
Absorption
Le problème rencontré dans les cellules photovoltaïques basées sur des réseaux interconnectés est que la réduction de l'écart entraîne également une diminution de la tension du circuit ouvert Voc, puisque. Cet alliage présente une transmission élevée comprise entre 70 % et 90 % sur toute la plage visible (380-780 nm), permettant à la lumière de traverser l'anode et d'être absorbée par la couche active sans trop de perte. Pour éviter les pertes dues à la diffusion dans le matériau absorbant, une couche diélectrique à haut indice de réfraction peut être intercalée entre la couche active et la cathode.
Le problème qui se pose avec cette option est de trouver le matériau idéal qui constitue cette couche diélectrique : il doit s'agir d'un matériau non absorbant qui doit être bon conducteur pour permettre une bonne collection d'électrons à la cathode.
Transport
Pour estimer la valeur minimale de mobilité requise pour une cellule fine de 100 nm d'épaisseur, nous considérons la densité de courant fournie par la cellule. L est l'épaisseur de la couche active (cm), D est le coefficient de diffusion (cm2·s−1) donné par la loi d'Einstein. C est donné par la relation suivante : C = S/L, où est la constante diélectrique du matériau.
Diffusion excitonique
Recombinaison et pi` eges
Pi´ egeage
Photoluminescence
Conclusion
- Structure des cellules et ´ etapes de r´ ealisation
- Caract´ eristiques et pr´ eparation du substrat
- D´ epˆ ot de la couche organique ` a la tournette
- D´ epˆ ot de la cathode par ´ evaporation sous vide
3.2 – Étapes de fabrication de cellules photovoltaïques basées sur un réseau interpénétré : (1) gravure et nettoyage de l'ITO. 2) dépôt de la couche organique. Caractéristiques de l'ITO : Nous avons utilisé trois types d'ITO commercialisés par Solems, Merck et Thin Film Device (TFD). 3.3 – Spectres de transmission des différents types d'ITO utilisés pour la production de cellules.
Nettoyage du support : l'état de la surface ITO dépend en grande partie de l'environnement et des procédures de nettoyage.
Moyens de caract´ erisation des cellules photovolta¨ıques
- Spectroscopie d’absorption UV-Visible
- Spectroscopie de fluorescence
- Profilom` etrie
- Microscopie ` a force atomique
- Caract´ eristiques courant-tension I-V
- Spectroscopie de photocourant
L'obtention de la mesure consiste à balayer la surface de l'échantillon avec la pointe dans le plan X-Y et à évaluer la déflexion du levier (déplacement en Z). Le spectre de la lampe comparé au spectre solaire est illustré à la figure 3.9. La figure 4.4 représente une partie de la courbe obtenue par voltammétrie.
On pense que le niveau de Fermi du MEH-PPV est très proche du HOMO.
Cellule photovolta¨ıque ITO/MEH-PPV/Al
4.6 – Caractéristique I-V dans l’obscurité et sous éclairage du côté ITO de la diode Schottky ITO/MEH-PPV/Al. 4.3 – Paramètres photovoltaïques de la cellule ITO/MEH-PPV/Al sous éclairement 100 mW/cm2. 4.7 – Graphique logarithmique de la caractéristique I-V de la structure ITO/MEH-PPV/Al dans l'obscurité.
La pente de la ligne ajustant la caractéristique I-V pour des tensions inférieures à 0,46 V est proche de 1.
Cellule photovolta¨ıque ITO/PCBM/Al
La mobilité effective des trous est définie par le produit de la mobilité des trous dans un milieu exempt de pièges et θ. La caractéristique IV dans l’obscurité et sous un éclairage de 100 mW/cm2 de la cellule ITO/PCBM/Al est illustrée à la figure 4.9. 4.9 – Caractéristique I-V dans l’obscurité et sous éclairage du côté ITO de la diode Schottky ITO/PCBM/Al.
h.10 - Tracé logarithmique I-V structure caractéristique ITO/PCBM/Al en thèmes.
Cellule photovolta¨ıque ITO/MEH-PPV :PCBM/Al
- Interfaces
- Proportions
- Solvants
- Diff´ erents ITO
4.19 – Spectres d'action de la structure ITO/PEDOT/MEH-PPV:PCBM/LiF/Al avec différents ratios donneur:accepteur. Fig.4.26 – Caractéristiques IV de la structure optimisée ITO/PEDOT/MEH-PPV:PCBM/LiF/Al sous différentes illuminations. Tab.4.7 – Paramètres photovoltaïques de la structure optimisée ITO/PEDOT/MEH-PPV :PCBM/LiF/Al.
4.28 – Image en microscopie électronique à transmission de la structure ITO/PEDOT/MEH-PPV :PCBM/LiF/Al.
Conclusion
Fig.5.2 – Caractéristique I-V de la structure ITO/PEDOT/MEHS-PPV:PCBM/LiF/Al dans l'obscurité et sous éclairage de type AM 1.5. 5.3 – Caractéristiques I-V de la structure ITO/PEDOT/DMO-DOO-PPV:PCBM/LiF/Al dans l'obscurité et sous éclairage de type AM 1.5. 5.2 – Paramètres photovoltaïques des cellules à base de composites MEHS-PPV:PCBM et DMO-DOO-PPV:PCBM.
5.5 – Spectres d'absorption des films MEHS-PPV:PCBM et DMO-DOO-PPV:PCBM déposés sur plaque de verre.
Evaluation de nouveaux d´ eriv´ es de fuller` ene
D´ eriv´ es avec une forte affinit´ e ´ electronique
Nous avons préparé deux solutions de composites MEH-PPV:C60-R-Me et MEH-PPV:C60-R-Et dans de l'ortho-dichlorobenzène. Fig.5.9 – Caractéristique I-V de la structure ITO/PEDOT/MEH-PPV:C60-R-Et/LiF/Al dans l'obscurité et sous éclairage de type AM 1,5. 5.3 – Paramètres photovoltaïques des cellules à base de composites MEH-PPV et différents accepteurs.
Les spectres d'action et les densités optiques des cellules MEH-PPV:C60-R-Me et MEH-PPV:C60-R-Et sont présentés respectivement dans les figures 5.11 et 5.12.
Nouvelle synth` ese de PCBM
Les valeurs de densité de courant de court-circuit pour les cellules PC60BM et PC60−70BM sont similaires et inférieures à celles de la cellule avec PC70BM. En revanche, la tension en circuit ouvert est similaire pour les cellules PC70BM et PC60−70BM et inférieure à celle de la cellule PC60BM. Le spectre d'action de la cellule développée avec le PC70BM est relativement supérieur et large.
Le pic apparaissant à 370 nm dans le spectre d'action de la cellule PC60BM pourrait être dû à un défaut de pureté.
Stabilit´ e d’une structure invers´ ee en MEH-PPV : PCBM
5.18 – Diagramme énergétique de la structure : ITO/pérylène diimide (ou BCP)/MEH-PPV : PCBM/CuPc/Au. La figure 5.19 présente l'évolution des caractéristiques IV-V de la structure inversée dans l'obscurité et sous éclairement de 74,5 mW/cm2 pendant 12 jours. L'évolution de la caractéristique IV-V de la structure inversée en remplaçant la couche de pérylène par une couche de BCP est représentée sur la figure 5.20.
La couche de pérylène (ou BCP) insérée entre l'électrode ITO et le film composite permet d'ajuster le débit de travail de l'ITO pour jouer le rôle de cathode.
Conclusion
La purification de l’extrait de suies, composé d’un mélange de C60 et C70, ne nécessite pas de gros moyens. Les paramètres photovoltaïques obtenus avec des cellules où le composite est formé de MEH-PPV et de fullerènes ayant une plus grande affinité électronique que le PCBM sont inférieurs à ceux obtenus avec MEH-PPV:PCBM. La configuration du réseau interpénétré permet une meilleure efficacité de dissociation des excitons grâce à l'augmentation des interfaces entre donneur et accepteur.
Les paramètres photovoltaïques obtenus avec des cellules où le composite est formé de MEH-PPV et de fullerènes ayant une plus grande affinité électronique que le PCBM sont inférieurs.
Structure d’une cellule photovolta¨ıque ` a base d’un r´ eseau interp´ en´ etr´ e
Etapes de r´ ´ ealisation des cellules photovolta¨ıques ` a base d’un r´ eseau inter-
Spectres de transmission des diff´ erents types d’ITO utilis´ es pour la r´ ealisa-
Masque pour le d´ epˆ ot de la cathode
Sch´ ema du bˆ ati d’´ evaporation sous vide
Sch´ ema de principe de la microscopie AFM (source : Molecular Imaging)
Spectre de la lampe HMI compar´ e au spectre solaire
Sch´ ema du montage exp´ erimental pour les mesures des spectres d’action et
Vue d’ensemble de la boˆıte ` a gants
Structure chimique des mol´ ecules MEH-PPV et PCBM
Densit´ e optique en fonction de l’´ energie des photons incidents sur un film
Voltamp´ erogramme cyclique du MEH-PPV (zone d’oxydation)
Diagramme des niveaux d’´ energie de la cellule ITO/MEH-PPV/Al
