Généralité sur les cellllulles photovoltaïques organiques

Généralité sur les cellllulles photovoltaïques organiques

Notiions prélliimiinaiires sur lle rayonnement sollaiire

Le développement, l’optimisation et la caractérisation de cellules photovoltaïques impliquent une certaine connaissance de la source d’énergie utilisée : le soleil. La surface de celui-ci se comporte comme un corps noir à la température d’environ 5800 K. Ceci conduit à un pic d’émission situé à une longueur d’onde de 0,5 μm pour une puissance d’environ 60 MW/m2, soit un total de 9,5.1025 W. En tenant compte de la surface apparente du soleil et de la distance entre celui-ci et la terre, cela conduit à un éclairement moyen dans l’année de 1,36 KW/m2 hors atmosphère. Cette irradiante est pondérée par divers facteurs à la surface de la terre : absorption par les molécules des différentes couches de l’atmosphère, conditions climatiques, l’altitude du lieu d’observation et la saison. Des gaz comme l’ozone (O3), pour des longueurs d’ondes inférieurs à 0,3 μm, le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O), pour les infrarouges au-dessus de 2 μm, absorbent les énergies proches de leur énergie de liaison, ce qui conduit à des trous dans le spectre solaire visible au sol. Par ailleurs, les poussières et aérosols présents dans l’atmosphère conduisent à une absorption répartie quasiment sur toute la gamme spectrale, ce qui conduit à une baisse globale de la puissance incidente. Afin de comparer et d’unifier les performances des cellules photovoltaïques élaborés dans les différents laboratoires du monde, il a été institué la notion d’Air Mass (AM). Elle quantifie la quantité de puissance absorbée par l’atmosphère en fonction de l’angle θ du soleil par rapport au zénith [4] :

Le semiiconducteur

Un semiconducteur est un matériau qui a les mêmes caractéristiques électriques qu’un isolant, mais pour lequel la probabilité qu’un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante pour un matériau semiconducteur. En d’autres termes, la conductivité électrique d’un semiconducteur est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Le comportement des semiconducteurs, comme celui des métaux et des isolants est décrit via la théorie des bandes. Ce modèle stipule qu’un électron dans un solide ne peut que prendre des valeurs d’énergie comprises dans certains intervalles que l’on nomme « bandes », plus spécifiquement bandes permises, lesquelles sont séparées par d’autres « bandes » appelées bandes d’énergie interdites. Deux bandes d’énergie permises jouent un rôle particulier :

La dernière bande complètement remplie, appelée « bande de valence ».

La bande d’énergie permise suivante appelée « bande de conduction ».

La bande de valence est riche en électrons mais ne participe pas aux phénomènes de conduction (pour les électrons). La bande de conduction, quant à elle, est soit vide (comme aux températures proches du zéro absolu dans un semiconducteur) soit semi-remplie (comme dans le cas des métaux) d’électrons. Cependant c’est elle qui permet aux électrons de circuler dans le solide. Dans le cas des conducteurs (métaux), la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer directement de la bande de valence à la bande de conduction et circuler dans tout le solide. Dans un semiconducteur, comme dans un isolant, ces deux bandes sont séparées par une bande interdite. La largeur de la bande interdite est la seule différence entre un semiconducteur et un isolant. Cette largeur de bande donne à chacun ses propriétés respectives. Pour l’isolant, cette valeur est si grande (aux alentours de 6 eV, le diamant par exemple) que les électrons ne peuvent pas passer de la bande de valence à la bande de conduction : les électrons ne circulent pas dans le solide. Pour les semiconducteurs, cette valeur est plus petite (1,12 eV pour le silicium, 0,66 eV pour le germanium, 2,26 eV pour le phosphure de gallium). Si l’on apporte cette énergie (ou plus) aux électrons, par exemple en chauffant le matériau, ou en lui appliquant un champ électromagnétique, ou encore dans certains cas en l’illuminant, les électrons sont alors capables de passer de la bande de valence à la bande de conduction, et de circuler dans le matériau.

Molléculles conjuguées

Comme on dit précédemment ; L’élément de base des matériaux organiques est le carbone. Cet élément se distingue des autres éléments de la colonne IV du tableau périodique (Si, Ge…) qui constituent les semiconducteurs minéraux par sa faculté d’hybridation multiple. Alors que le silicium et le germanium n’existent que sous la forme sp3, le carbone peut adopter en plus deux autres formes : sp et sp2. Dans l’hybridation sp2, l’orbitale s est combinée avec seulement 2 orbitales p. A partir de 3 orbitales atomiques, on va former 3 orbitales hybrides en forme d’haltère déformées. Ces trois orbitales hybrides sont appelées orbitales sp2 car elles résultent de la combinaison de 1 orbitale s et de 2 orbitales p. Elles pointent vers les sommets d’un triangle et forment des angles de 120° entre elles. L’orbitale p restante est disposée verticalement par rapport à ce plan [7].

La structure de l’éthylène, C2H4 Figure I.5, est expliquée en faisant appel à l’hybridation sp2 qui laisse une orbitale 2p inchangée sur le carbone. Dès lors, les 4 électrons de valence du carbone vont se répartir entre les 3 orbitales hybrides sp2 et l’orbitale 2p restante. Lorsque les deux atomes de carbone se rapprochent, une orbitale sp2 d’un des carbones va se recouvrir longitudinalement avec une orbitale sp2 de l’autre carbone pour former une liaison C-C sigma σC-C (selon l’axe entre les noyaux). Simultanément, l’orbitale 2p d’un carbone va se recouvrir avec l’orbitale 2p de l’autre. Ce recouvrement latéral se réalise de part et d’autre de l’axe entre les noyaux pour former une liaison pi (liaison π). Les liaisons σ et π qui lient les deux atomes de carbone ensembles forment une liaison double (1 doublet σ et 1 doublet π). Il reste donc 2 orbitales hybrides sp2 sur chaque atome de carbone qui vont se recouvrir avec les orbitales 1s des 4 atomes d’hydrogène pour former les liaisons σC-H.

L’effet photovolltaïïque

L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semiconducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière [11]. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type N et dopée de type P. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, des électrons en excès dans le matériau type N diffusent dans le matériau type P. La zone initialement dopée N devient chargée positivement, et la zone initialement dopée P chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone N et les trous vers la zone P. Une jonction (dite P-N) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones N et P, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone N rejoignent les trous de la zone P via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel : le courant électrique circule (figure I.7).

Cellllulle phottovollttaïïque à siilliiciium amorphe

Il s’agit de cellules en silicium souples et robustes permettant une pose sur des surfaces et des toitures courbes. Cette possibilité donne une couverture à 100 %. Leur rendement de conversion est de l’ordre de 10 %. C’est certes beaucoup moins élevé par rapport aux cristallines. Cependant, leur utilisation est sollicitée là où le besoin en électricité est minime. Il faut compter beaucoup plus de surface pour obtenir la même puissance que celle dégagée par les cristallines. Néanmoins, les avantages sont leur résistance aux températures élevées et leur fonctionnement avec un éclairage faible. Leur poids relativement léger ne nécessite pas de test de stabilité. Les cellules photovoltaïques amorphes sont fabriquées avec un gaz de silicium. Ce gaz peut être ensuite injecté sur différents supports comme des plaques de verre, du plastique souple ou encore du métal, via un procédé de vaporisation sous vide. Les cellules sont de couleur grise foncée. Cette catégorie de cellules photovoltaïques est d’un type de cellule bon marché. Les fabricants de petits appareils électroniques l’utilisent pour mettre dans les objets du quotidien fonctionnant à l’énergie solaire. Il peut s’agir par exemple de calculatrice ou encore de montre solaire. Cette technologie est pratique, car elle ne requiert pas beaucoup d’ensoleillement. Par contre, il faut noter que le rendement de cette cellule est faible. Il est de l’ordre des 7 à 8 %. La durée de vie de ces panneaux reste aussi très limitée. Leur utilisateur aura au maximum une dizaine d’années avec une utilisation optimisée du produit. Avantages :

• Moins coûteux que la première génération puisqu’elle consomme moins de matériau semiconducteur.

• Moins polluant à la fabrication.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapiittre I :: Généralité sur les cellllulles photovoltaïques organiques
I..1 Inttroducttiion
I..2.. Energiie renouvellablle
I..3.. Généralliitté
I..3..1.. Le sollaiire
I..3..2.. Nottiions prélliimiinaiires sur lle rayonnementt sollaiire
I..4.. Le semiiconductteur
I..4..1.. Le semiiconductteur organiique
I..4..2.. Avanttages des semiiconductteurs organiiques
I..4..3.. Applliicatt iions des semiiconductteurs organiiques
I..5.. Molléculles conjjuguées
I..6.. L’effett phottovollttaïïque
I..7.. Les diifférentts ttypes des cellllulles phottovollttaïïques
I..8.. Générattiions des cellllulles phottovollttaïïques
I..8..1.. Premiière génératt iion :: Le sollaiire phottovollttaïïque à base de siilliiciium
I..8..1..1.. Cellllulle monocriisttalllliine
I..8..1..2.. Cellllulle pollycriisttalllliine
I..8..2.. Deuxiième génératt iion :: Cellllulle en couches miinces
I..8..2..1.. Cellllulle phottovollttaïïque à siilliiciium amorphe
I..8..2..2.. Cellllulle phottovollttaïïque en couche miince de CdTe
I..8..2..3.. Cellllulle phottovollttaïïque en couche miince de CIGS
I..8..3.. Troiisiième génératt iion :: Cellllulle phottovollttaïïque organiique
I..9.. Archiittectture des cellllulles phottovollttaïïques organiiques
I..9..1.. Cellllulle de ttype Schottttky
I..9..2.. Cellllulle biicouches :: héttérojjonctt iion pllanaiire D//A
I..9..3.. Cellllulle à héttérojjonctt iion vollumiique ou BHJ
I..9..4.. Cellllulle à sttructture PIN
I..9..5.. Avanttages ett iinconvéniientts des cellllulles sollaiires organiiques
I..9..6.. Sttrattégiies d »amélliioratt iion des perrformances des cellllulles sollaiires
I..9..6..1.. Amélliiorattiion de lla mobiilliitté
I..9..6..2.. Réducttiion de ll‘‘énergiie du gap
I..9..6..3.. Éllaborattiion de couches autto-assembllées
I..9..6..4.. Encapsullattiion
I..10.. Priinciipaux Mattériiaux acttiifs pour lles cellllulles sollaiires de forme PHJ
I..10..1.. Mattériiaux donneurs d’éllecttrons
I..10..2.. Mattériiaux acceptteurs d’éllecttrons
I..11.. Foncttiionnementt d’une cellllulle phottovollttaïïque organiique
I..11..1.. Absorpttiion des phottons ett créattiion d »exciittons
I..11..2.. Diiffusiion ett diissociiatt iion des exciittons
I..11..3.. Transportt des charges lliibres dans lles semiiconductteurs organiiques
I..12.. Paramèttres caracttériistt iiques des cellllulles sollaiires organiiques
I..12..1.. Caracttériistt iique éllecttriique J-V
I..12..2.. Schéma équiivallentt d »une cellllulle sollaiire
I..12..3.. Paramèttres essentt iiells caracttériisantt lles cellllulles phottovollttaïïques
I..12..3..1.. Courantt de courtt-ciircuiitt ICC
I..12..3..2.. Tensiion à ciircuiitt ouvertt VOC
I..12..3..3.. Factteur de fforme FF
I..12..3..4.. Rendementt de lla conversiion d‘‘énergiie η
I..12..3..5.. Rendementt quanttiique extterne EQE
I..13 Concllusiion
Chapiittre II :: Syntthèse ett Caracttériisattiion des pollymères Phttallocyaniines
II..1 Inttroducttiion
II..2.. Ettatt de ll’artt
II..2..1.. Généralliittés sur lles phttallocyaniines
II..2..1..1.. Hiisttoriique
II..2..1..2.. Phttallocyaniines
II..2..2.. Phttallocyaniine de Cuiivre (CuPc)
II..2..2..1.. Absorbance
II..2..2..2.. Miicroscopiie éllecttroniique à ballayage (MEB)
II..2..2..3.. Miicroscopiie à fforce attomiique (AFM)
II..2..3.. Allumiiniium phttallocyaniine chlloriide AllPcCll
II..2..3..1.. Déffiiniittiion
II..2..3..2.. Ellaborattiion des couches miinces AllPcCll
II..2..3..3.. Caracttériisattiion des couches miinces AllPcCll
a.. Observattiion au MEB
b.. Images AFM
c.. Ettude sttructturalle par DRX
d.. Ettude opttiique
II..3.. Concllusiion
Chapiittre III :: Réalliisattiion des cellllulles phottovollttaïïques organiiques à base d’’AllPcCll
III..1.. IInttroducttiion
III..2.. Résullttatts expériimenttaux
III..2..1.. Réalliisatt iion des cellllulles organiiques à base d »AllPcCll
III..2..2.. Niiveaux d’énergiie au conttactt de CuPc//C60 ett AllPcCll//C60
III..3.. Caracttériisatt iion des couches miinces d »AllPcCll
III..3..1.. Ettude sttructturalle par DRX
III..3..2.. Specttre d’absorpttiion
III..3..3.. Observattiion au MEB
III..3..4.. Images AFM
III..4.. Caracttériisatt iion des couches miinces d »AllPcCll pllus épaiisses
III..4..1.. Caracttériisttiique éllecttriique J-V
III..4..2.. Observattiion au MEB
III..4..3.. Ettude sttructturalle par DRX
III..4..4.. Ettude opttiique
III..5.. Opttiimiisatt iion des cellllulles organiiques à base d »AllPcCll déposé llenttementt
III..5..1.. Inflluence du recuiitt sur lles paramèttres des OPVC
III..5..2.. Inflluence du viieiilllliissementt sur lles paramèttres des OPVC
III..5..3.. Inflluence de lla couche ABL sur lles paramèttres des OPVC
III..6.. Concllusiion
Chapiittre IV :: Ettude des cellllulles phottovollttaïïques organiiques à ttrii-couches
VI..1.. Inttroducttiion
IV..2.. Généralliitté sur lle penttatthiiophène
IV..3.. Ettude sur lles penttatthiiophènes
IV..3..1.. Ellaborattiion des couches miinces de P5T
IV..3..2.. Caracttériisattiion des couches miinces de P5T
IV..3..2..1.. Absorpttiion opttiique
IV..3..2..2.. Ettude sttructturalle par DRX
IV..3..2..3.. Observattiion au MEB ett AFM
IV..4.. Réalliisatt iion des cellllulles organiiques à ttrii-couches
IV..5.. Concllusiion ett perspecttiives
CONCLUSION GENERALE
REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE
ANNEXE

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