Incorporation de NTC fonctionnalisés dans la couche active de cellules solaires organiques

Dans les chapitres précédents, l’affinité des NTC avec le P3HT et le QTF8 a été mise en évidence. De plus, l’incorporation de NTC fonctionnalisés et contrôle en faible quantité a été bénéfique sur les performances de transistors à base de P3HT et plus particulièrement sur leur mobilité. Pour ce qui est de l’intégration de quantité plus importante de NTC, la fonctionnalisation a permis d’améliorer les performances des transistors en comparaison aux transistors à base de NTC contrôle. Ces résultats intéressants amènent maintenant à la fabrication de cellules solaires organiques à hétérojonction en volume avec incorporation de NTC dans la couche active dans le but d’augmenter leur rendement. Dans un premier temps, le contexte puis la fabrication et la caractérisation de cellules solaires organiques à hétérojonction en volume incorporant des NTC soit comme matériau accepteur soit comme dopant ont été étudiées. Dans un deuxième temps, l’orientation électrique des NTC dans la couche active a été testée en configuration hétérojonction en volume. Suite aux difficultés liées à la caractérisation de l’orientation des NTC dans la couche active, une nouvelle configuration moins classique et plus appropriée a été réfléchie. C’est pour cette raison que dans la dernière partie, une étude exploratoire pour des cellules solaires organiques interdigitées est présentée.

Cellules solaires organiques à hétérojonction en volume avec incorporation de CNT dans la couche active

Il existe différentes configurations possibles pour les cellules solaires organiques avec par exemple les configurations de type bipolaire, à hétérojonction en volume ou tandem comme expliqué dans le chapitre I. Lors de cette thèse, le but est d’incorporer et de comprendre l’influence de NTC fonctionnalisés dans la couche active de cellules solaires. En effet, comme expliqué dans la première partie de ce paragraphe, dans la littérature les travaux déjà menés dans ce domaine ont relevé plusieurs points problématiques pour l’incorporation de NTC. Plusieurs choix ont donc été faits pour arriver au but fixé, le premier choix a été d’étudier uniquement des cellules à hétérojonction en volume car dans cette configuration les matériaux donneurs et accepteurs sont interpénétrés. Grâce à cette configuration, l’affinité mise en avant dans les chapitres précédents entre les NTC et les matériaux accepteurs peut être intéressante. Le deuxième et dernier choix a été de tester deux approches différentes pour l’incorporation des NTC soit en tant que matériau accepteur soit comme dopant afin d’analyser l’impact de la fonctionnalisation des NTC dans tous les cas possibles d’intégration de NTC dans la couche active. De manière générale, les NTC qu’ils soient monoparois ou multiparois sont introduits dans la couche active de cellules solaires organiques en les mélangeant à un composé donneur avant d’être déposé à la tournette. La couche active est couramment déposée sur une couche d’ITO recouverte de 50 à 100 nm de PEDOT:PSS. Le matériau donneur est souvent un polythiophène comme le P3OT ou le P3HT régiorégulier car ils ont une mobilité élevée avec une longueur de conjugaison d’environ 25 monomères. Après la fabrication, les cellules sont recuites pour augmenter le transfert, le transport et la collecte des charges grâce à l’alignement des chaines de polymères et à la séparation optimale du composé donneur et du composé accepteur.

Le problème du mélange NTC métalliques/semi-conducteurs a été mis en évidence par diverses études comme celle sur l’étude théorique du potentiel électrostatique à l’interface entre les NTC et le P3HT dans une configuration à hétérojonction en volume [188]. Dans cette étude, le potentiel électrostatique près de l’interface entre le P3HT et un NTC métallique ou un NTC semi- conducteur a été calculé en soustrayant le potentiel individuel du P3HT et des NTC (Figure V-1). La figure montre bien que dans le cas du NTC semi- conducteur, la chute du potentiel est faible sur le P3HT alors que pour le NTC métallique il y a une forte chute du potentiel sur le P3HT. En effet, les NTC métalliques induisent une région attractive pour les charges négatives sur le P3HT ce qui implique la chute de potentiel et donc que le P3HT attire plus les électrons que les trous. Cela empêche le transfert d’électrons du P3HT vers les Une autre étude confirmant ce résultat a été effectuée sur la conductivité de micro-ondes résolue dans le temps (TRMC) qui permet de suivre la décroissance du nombre d’électrons et de trous après un pulse laser nanoseconde par recombinaison ou piégeage des porteurs de charge [189]. Cette technique a permis de montrer une décroissance des porteurs de charges plus importante pour le composite P3HT-NTC enrichis en métalliques (contenant 12 % de NTC semi-conducteurs) en comparaison au P3HT seul. De plus, pour un composite enrichi en NTC semi-conducteurs (contenant 90 % de NTC semi-conducteurs) la décroissance est cette fois plus lente que pour le P3HT seul ( Figure V-2). Cette différence implique donc que la réduction du nombre de NTC métalliques permet un allongement spectaculaire du temps de vie des porteurs de charges après 400 ns par exemple et donc une durée allongée pour le transport des charges vers l’interface avant la recombinaison ou le piégeage des charges.