Les cellules solaires organiques

Les différents types de cellules solaires organiques

Les cellules solaires organiques ont un bon rapport qualité prix mais elles sont moins stables et efficaces. Actuellement, leur durée de vie est de l’ordre de 5 à 10 ans avec des rendements autour de 8 à 10 % ce qui permet d’envisager selon certain modèle un coût d’environ 10 eurocents/kWh [82].
Ces dernières années, les recherches menées sur les cellules solaires organiques ont été réalisées avec différents designs (Tableau I-4) : bicouche, à hétérojonction en volume et tandem.

Cellule solaire organique bicouche

En 1986, Tang et al. ont réalisé la première cellule à bicouche en utilisant le concept de donneur-accepteur avec un rendement d’environ 1 % [84].
L’architecture de ce type de cellule est d’empiler sur l’anode un donneur puis un accepteur et enfin la cathode (Figure I-27). Cela implique une faible interface entre le matériau donneur et le matériau accepteur qui rend la séparation de charges compliquée. La recombinaison des excitons est donc un gros problème dans ce type de cellule. De plus, il y a aussi une mauvaise interface entre les électrodes et les couches organiques ce qui implique un quenching des excitons.
Pour y remédier, différents trio de cathodes, donneurs et accepteurs ont été testés ce qui a permis de doubler le rendement [84] [85] [86]. Par la suite, en plus de faire varier la cathode et la couche active, des couches ont été ajoutées entre les électrodes et la couche active [87] [88] [89] [90]. D’un côté une couche de PEDOT:PSS facilite le transport des trous vers l’anode et de l’autre une couche bloque les excitons (par exemple de la bathocuproine).
En conclusion, il semble difficile d’atteindre des rendements supérieurs à 5 % à cause de la structure de la cellule. C’est pour cette raison que d’autres designs ont été étudiés.

Cellules solaire tandem

Sachant qu’il est très difficile de couvrir le spectre solaire avec un seul colorant, les cellules solaires tandem consistent à superposer deux à trois cellules en les empilant pour combiner plusieurs matériaux donneurs qui absorbent dans des zones différentes du spectre solaire (Figure I-29) [95]. De plus, il a été montré que l’ajout de couches bloquant les électrons comme par exemple le 3,4,9,10- perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole (PTCBI) et le bathocuproine (BCP) [96] [97] permet d’atteindre l’absorption maximale dans la cellule.
En conclusion, ce type de cellule solaire organique semble être le mieux adapté pour l’absorption de la lumière et la génération et diffusion des excitons. En février 2012, la société Heliatek a fabriqué des cellules tandem avec un rendement en laboratoire supérieur à 10 %. Cependant, le principal problème de ce type de cellule est que le courant total de la cellule est limité par le matériau organique qui génère le moins de courant car les cellules en tandem sont connectées en série. Il reste donc encore de l’optimisation sur ce type de cellule pour atteindre des rendements toujours plus hauts.

Absorption de la lumière et photogénération des excitons

Les cellules solaires organiques à hétérojonction en volume sont composées de deux matériaux qui ont chacun deux orbitales appelées HOMO (acronyme de highest occupied molecular orbital) et LUMO (acronyme de lowest unoccupied molecular orbital). Le premier matériau est donneur d’électron et a le potentiel d’ionisation (Ei) le plus faible. Le deuxième matériau est accepteur d’électron et a la plus forte affinité électronique (χa) (Figure I-31).

Diffusion des excitons jusqu’à l’interface donneur – accepteur

Dans la deuxième étape, les excitons diffusent vers l’interface entre le matériaudonneur et accepteur d’électrons où un électron peut facilement être transféré entre la LUMO du matériau donneur (plus haute en énergie) et la LUMO du matériau accepteur (Figure I-30). Lors de cette étape, ce qui est important est que l’exciton atteigne une interface. Le problème est que la longueur que peut parcourir un exciton est d’environ 10 nm pour des couches actives de cellules solaires à hétérojonction en volume. Si l’exciton n’atteint pas une zone de dissociation, il est perdu sous forme d’émission radiative ou non radiative. Pour éviter la perte d’excitons, il faut que la distance entre le matériau donneur et le matériau accepteur soit inférieure à 10 nm. La nanostructuration du composite est donc primordiale pour cette étape.

Dissociation des excitons avec formation des charges

La troisième étape est la dissociation de l’exciton en polaron. Les termes de polaron et paires de polarons sont souvent utilisés dans le domaine des cellules solaires organiques et schématisés sur la Figure I-32.

Transfert et collecte des charges aux électrodes

Après la dissociation, les charges sont transportées jusqu’aux électrodes. Pour l’étape de transport, il faut à la fois avoir une couche active bien nanostructurée et des matériaux ayant des mobilités de charges les plus grandes possibles.
Comme pour la dissociation, les risques sont la recombinaison des charges.
Cependant, dans les cellules organiques à hétérojonction en volume, les recombinaisons de charge ne sont possibles que si les polarons reforment des paires de polarons. Il existe donc une nouvelle probabilité de dissociation avant la recombinaison définitive des charges.
Pour la dernière étape d’extraction des charges, l’architecture de la cellule est importante car elle détermine l’état d’équilibre de la concentration des porteurs de charges. L’autre point important est de noter que la dépendance du champ photocourant est due à la fois à la dissociation et à l’extraction.
En conclusion, chaque étape de l’effet photovoltaïque implique des enjeux qui peuvent faire chuter drastiquement le rendement et dont il faut tenir compte au maximum afin d’obtenir la cellule solaire organique la plus efficace possible. La qualité des cellules solaires organiques est évaluée avec différents paramètres décrits ci-dessous.

Les différents paramètres des cellules solaires organiques

Pour chaque cellule photovoltaïque, la densité de courant-tension J=f(V) est enregistrée dans l’obscurité et sous éclairement à l’aide d’un simulateur solaire.
Dans l’obscurité, le courant augmente légèrement selon la tension appliquée c’est-à-dire que la cellule se comporte comme une diode. Par contre, sous éclairement, l’effet photovoltaïque décrit ci-dessus a lieu et le processus de conversion s’applique. Pour comparer les différents travaux réalisés les cellules sont mesurées sous une lumière incidente standardisée à 100 mW.cm-2 sous AM 1,5. Cela correspond au spectre solaire en tenant compte de l’atmosphère terrestre et d’un angle d’incidence de 48,2 ° (Figure I-33) [102].

La tension en circuit ouvert (VOC) 

La VOC est la tension mesurée lorsqu’il n’y a pas de courant qui circule dans la couche active. La VOC est principalement limitée par la différence d’énergie entre l’HOMO du matériau donneur et de la LUMO du matériau accepteur. Brabec en 2001 [103], puis Scharber en 2006 [104], ont montré clairement cette dépendance. En effet, l’étude réalisée avec du PCBM comme matériau accepteur et 26 matériaux donneurs différents a permis d’exprimer empiriquement la VOC de la manière suivante (avec e la charge élémentaire) grâce à la droite de la Figure I-35 [103] :
Un autre paramètre qui influence la VOC est l’interface entre les électrodes et le composite. En effet, il peut y avoir des pertes de charges aux interfaces qui diminuent la VOC. Pour y remédier, une solution couramment utilisée est le dépôt d’une couche de PEDOT:PSS [92][93][94][16] sur l’anode en ITO qui va permettre de transporter les trous avec un travail de sortie plus élevé. Pour la cathode, il existe le dépôt de fluorure de lithium (LiF) [92] par exemple entre le composite et la cathode souvent en aluminium.
Le troisième paramètre qui peut modifier la VOC est la proportion entre le donneur et l’accepteur. En effet, il a été remarqué que la VOC a tendance à diminuer quand la proportion de PCBM augmente par rapport au polymère [107] [108]. Cette diminution est due à la différence de permittivité diélectrique relative entre le donneur et l’accepteur.
En conclusion, il existe plusieurs paramètres qui influencent la VOC. Il faut donc choisir le couple donneur-accepteur optimal ainsi que l’anode et la cathode qui permettront de transférer au mieux les trous et les électrons via ce couple.
L’influence de la température et de l’intensité lumineuse sur la VOC seront détaillées par la suite (d) de cette partie).
La Jsc dépend de l’EQE (qui peut aussi être appelé IPCE qui veut dire en anglais Incident Photon to Current Efficiency) et est définie par l’équation suivante [82] avec h, c et q qui sont des constantes (Planck, vitesse de la lumière dans le vide, charge élémentaire) et λ1 et λ2 qui sont les longueurs d’onde d’absorption limites de la cellule.
Il existe deux types de rendement quantique l’externe (EQE) et l’interne (IQE).
L’EQE correspond au rapport entre le nombre d’électrons collectés sur le nombre de photons incidents. Pour l’IQE, la différence est que les photons perdus par réflexion et transmission ne sont pas pris en compte.
Pour mieux comprendre la JSC, l’exemple d’une cellule solaire à base de P3HT et de PCBM est pris. Pour une cellule de ce type qui a un bon rendement, la JSC est d’environ 12 mA.cm-2. Cependant la valeur théorique calculée de la JSC (Equation I-6) est d’environ 18,7 mA.cm-2 [82] pour un EQE de 100 %. La différence s’explique car l’EQE n’est pas de 100 % à cause du reflet de la lumière sur les couches qui encapsulent la couche active (typiquement la cathode opaque). Par conséquent, le calcul ne se fait pas avec l’EQE mais avec l’IQE à 100 %. photons.s-1.cm-2 sont absorbés pour une couche d’aluminium (cathode) de 400 nm, ce qui correspond à une JSC de 12,8 mA.cm-2 bien plus en accord avec les résultats expérimentaux (Figure I-36) [82].