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Donneur – Accepteur
Les semi-conducteurs organiques ne sont pas toujours dopés, ce qui fait que la détermination de nature du matériau donneur et matériau accepteur est dû au paramètre dite électronégativité de ce dernier. Plus celui-ci est électronégatif, plus son caractère accepteur est affirmé car il a plus de pouvoir d’accepter les électrons.
En utilisons l’analogie avec les matériaux inorganique, le matériau organique accepteur, qui contient plus d’électrons dans son orbitale LUMO (BC pour un matériau inorganique) Figure I-4, est dit de type n et pour un matériau qui contient plus de trous dans son orbital HOMO (BV pour un matériau inorganique) c’est un donneur de trous.
Si deux matériaux de type opposés sont mis en contact pour former une hétérojonction, le transfert des charges ne se produit pas spontanément, à cause de cela l’un des deux matériaux doit être excité par un photon. Le transport des charges est indépendante du type du semi-conducteur, mais elle est due au recouvrement des orbitales entre les molécules.
Les orbitales moléculairπes -π* correspondent respectivemeàn t l’orbitale moléculaire occupée de plus haute énergie HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) et π* l’orbital de plus basse énergie non occupée LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital).
Diagramme d’énergie
La différence majeure entre les semi-conducteurs organiques et inorganiques réside dans la structure atomique des deux types de matériaux. Dans un système de matériau inorganique, les noyaux atomiques sont disposés de t’elle manière à avoir un réseau géométrique régulier. Cette périodicité géométrique et avec l’application de la théorie du groupe sur un électron soumis a des contraintes du réseau, a permis au Bloch d’établir sa théorie. Il a montre que l’énergie des électrons doit satisfaire des conditions pour définir des ensembles différents de valeurs autorisées et de valeurs interdites, ces ensembles sont appelés « bandes»; les valeurs interdite c’est le gap, les bandes de valence et de conduction correspondent aux valeurs autorisés [12, 8].
Concernant les systèmes organiques de grande dimension et de plus par manque de périodicité a grande échelle de la structure atomique, les modèles des systèmes présentent précédemment ne sont pas applicables. Une autre modélisation été proposé sur des chaînes de polyacétylène de longueurs infinies par certains auteurs [13]. Ce modèle a été appliqué sur les composés carbone-hydrogène présentant une bonne régularité le long de la macromolécule.
Plus généralement, le comportement des électrons dans un atome est décrit par les fonctions propres qui sont les solutions de l’équation de Schrödinger. Ces fonctions mathématiques déterminent une probabilité de présence donnée d’un électron autour du noyau, sont appelées « orbitales atomiques ». Seules les orbitales les plus éloignées du noyau de l’atome participent à la liaison chimique.
Par combinaison linéaire de ces orbitales atomiques, on définit les « orbitales moléculaires » qui limitent les régions de l’espace dans lesquelles la probabilité d’occupation des électrons est grande autour d’un système moléculaire [14].
Les électrons des couches périphériques des molécules organiques occupent l’Orbitale Moléculaire Occupée la plus Haute énergie (HOMO), à température ambiante, l’énergie thermique modifie la probabilité de présence des électrons et une partie d’entre eux occupent l’Orbitale Moléculaire inoccupée la plus basse énergie (LUMO). Le niveau de Fermi est situé entre les deux niveaux HOMO et LUMO ou la probabilité de présence est de 0,5. La position de niveau de Fermi par rapport aux deux autres niveaux (LUMO et HOMO), indique la nature du matériau (donneur ou accepteur). Dans un solide moléculaire, un apport d’énergie suffisant, pour extraire des électrons de la molécule ; la mesure du nombre d’électrons émis en fonction de la longueur d’onde du rayonnement incident permet de mesurer le seuil d’émission et ainsi de déterminer la valeur du niveau de Fermi (EF).
Les liaisons liantes sont notées π et σ, et anti-liantes sont notées π* et σ*. La liaison π nécessite une forte énergie d’extraction et correspond à l’orbitale HOMO alors que la liaison anti-liante π* nécessite une basse énergie d’extraction et correspond à l’orbitale LUMO. Le doublet d’électrons est placé dans l’orbitale moléculaire liante π car elle est de plus basse énergie. Compte tenu du forte recouvrement axial dans le cas des orbitales σ et σ*, l’écart énergétique est très important entre eux se qui ne correspond pas à des niveaux d’énergie permettant la conduction. Le recouvrement latéral est moins bon, l’écart d’énergie entre les orbitales π et π* est plus faible, de ce faite la bande interdite est réduite. ). Cette grandeur, appelée également « Travail de sortie », est généralement exprimée par rapport à l’énergie du vide prise comme référence égale à zéro. Pour que l’électron puisse faire un saut du niveau HOMO au niveau LUMO, il doit avoir une énergie suffisante apporté par le photon cette énergie est décrite par l’équation (I-1) [15]. La différence entre le niveau du vide et le niveau HOMO appelé énergie d’ionisation (Ei) et entre le vide et le niveau LUMO appelé affinité électronique.
Niveaux d’énergie HOMO et LUMO et délocalisation
Les matériaux possédant ce type de recouvrement sont classés comme matériaux semiconducteurs [16]. Nous avons, ainsi, vu comment, les électrons de l’orbitales π peuvent occuper dans une molécule différents niveaux d’énergie. De ce fait, il est possible de mettre en évidence la notion de bandes d’énergie dans des solides organiques.
Structure de bandes
Si un matériau organique est formé de 2N atomes nous aurons N niveaux liants et N niveaux anti liants. Les 2N électrons vont se loger dans les N orbitales π liantes. Ainsi, les différents niveaux d’énergie des deux liaisons liantes et anti liantes (π et π*) de chaque molécule qui constitue le matériau, forment des niveaux d’énergie propres à ce matériau.
Par ailleurs on peut considérer dans un matériau organique que chaque molécule est séparée des molécules suivantes par un niveau d’énergie. Ainsi, le chevauchement des niveaux d’énergie LUMO entre eux d’une part, et les niveaux d’énergie HOMO entre eux d’autre part figure I-7, sur l’ensemble du squelette de la molécule laisse naître la notion de bande. Tout se passe comme si les porteurs appartenaient à une bande d’énergie et non pas à une seule orbitale moléculaire [10].
Processus de la conversion photovoltaïque
Le processus de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque organique constituée de deux couches organiques pris en sandwich entre deux électrodes se résume en 4 étapes. Ces étapes sont schématisées sur la figure I.8 [17]
Absorption des photons et génération des excitons
Les photons incidents sont absorbés par les matériaux de la couche active. Pour avoir une efficacité maximum, il faut que le matériau actif ait un spectre d’absorption qui couvre au mieux le spectre d’irradiation solaire. L’absorption de photons par le matériau provoque l’excitation des molécules (le passage d’un électron de l’état fondamental à l’état excité).
Dans cet état excité, la molécule peut se désexciter de manière radiative ou non radiative. Si tel n’est pas le cas, le photon absorbé donne lieu à un exciton, qui correspond à une paire électron-trou [18].
Diffusion des excitons vers l’interface entre les deux matériaux organiques
L’exciton créé diffuse dans le matériau. Pour pouvoir ensuite générer de l’électricité, cet exciton va devoir se dissocier à une interface entre le matériau donneur et le matériau accepteur [19]. La durée de vie d’un exciton est limitée et varie d’un matériau à l’autre. Sa longueur de diffusion varie de 5 à 20 nm en fonction de la nature du matériau et de la présence ou non de pièges dans le matériau [20].
dissociation de l’exciton
La dissociation des excitons en charges libres nécessite un champ électrique fort. Un tel champ peut être obtenu en appliquant une tension externe ou grâce à la différence de potentiel rencontrée à l’interface entre le matériau donneur et le matériau accepteur [21]. En effet, ces deux matériaux possèdent des niveaux énergétiques différents, induisant un champ électrique local. Si l’exciton atteint cette interface, sa dissociation peut alors être observée [22].
le transport de charges et leur collecte
Les charges libres créées migrent à travers les matériaux actifs. Lors du transport, les charges peuvent se recombiner. Les charges ayant atteint les électrodes y sont collectées, générant ainsi un courant électrique. La mobilité des porteurs de charge doive être importante pour avoir un bon rendement de la cellule solaire [23]. Dans le cas des matériaux organiques, la mobilité des porteurs de charge est assez faible ce qui nécessite d’utiliser des dispositifs de faible épaisseur. L’efficacité de la collecte de charges dépend, entre autres, de la nature de l’électrode utilisée (adéquation entre les niveaux d’énergie du métal et du semi-conducteur).
Circuit électrique équivalent
Les cellules solaires organiques sont considérées comme des composants électroniques, donc sont modélisées par un circuit électrique. Une cellule photovoltaïque sous éclairement est modélisée par un circuit électrique constitué d’un générateur de courant Iph (courant inverse proportionnel à la lumière incidente) en parallèle avec une diode :
Mécanismes de transport dans une structure à jonction p-n
Les mécanismes de transport de charges dans une jonction p-n sont liés au type de structure (homojonction ou hétérojonction) ainsi qu’aux propriétés des matériaux qui la constituent (types de semiconducteurs, épaisseurs de couches, dopages). Ces mécanismes peuvent avoir lieu simultanément ou séparément selon la tension appliquée au composant.
Dans ce qui suit, nous décrirons brièvement quelques mécanismes de transport de charges classiques, généralement observés, dans les dispositifs. D’autres paramètres tels que la température peuvent influencer le transport et favoriser un mécanisme par rapport aux autres.
Mécanisme de diffusion
Il s’agit d’un courant de porteurs minoritaires, les trous de la région n qui diffusent vers la région p et les électrons de la région p qui diffusent vers la région n. Dans les conditions de faible injection (faibles polarisations extérieures) et dans le cas d’un régime stationnaire (δn/δt = 0, δp/δt = 0), la résolution des équations de continuité pour les électrons et les trous.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : Les cellules photovoltaïques et les Matériaux Organique
I-1 Introduction
I-2 L’énergie solaire
I-3 La conversion photovoltaïque
I-4 Contact ohmique d’une jonction Métal / Semiconducteur
I-4-1 Contact ohmique
I-4-2 Jonction p-n
I-5 semi-conducteurs Organique
I-5-1 Donneur-Accepteur
I-5-2 Diagramme d’énergie
I-5-3 Niveaux d’énergie HOMO et LUMO et délocalisation
I-5-4 Structure de bande
I-6 Processus de la conversion photovoltaïque
I-7 Circuit électrique équivalent
I-8 Grandeurs caractéristiques des cellules solaires organiques
I-8-1 Courant de court-circuit Jsc
I-8-2 Tension de circuit ouvert Voc
I-8-3 Facteur de forme FF
I-8-4 Rendement des cellules
I-9 Conclusion
I-10 Bibliographies
CHAPITRE II : modélisation de la caractéristique électrique capacité -tension de l’homojonction et hétérojonction p-n
II-1 Introduction
II-2 Caractéristique électrique d’une homojonction p-n a l’équilibre
II-2-1 Champ électrique
II-2-2 Potentiel électrique
II-2-3 Epaisseur de zone de déplétion et la capacité de transition
II-2-3-a Epaisseur de zone de déplétion
II-2-3-b Variation de la capacité de transition
II-3 Caractéristique électrique d’une hétérojonction p-n a l’équilibre
II-3-1 Champ électrique
II-3-2 Potentiel électrique
II-3-3 Epaisseur de zone de déplétion et capacité de transition
II-3-2-a Epaisseur de zone de déplétion
II-3-2-b capacité de transition
II-4 Caractéristique électrique d’une hétérojonction isotype à l’équilibre
II-4-1 Champ électrique
II-4-2 Potentiel électrique
II-4-3 Epaisseur de zone de déplétion et capacité de transition
II-5 Distribution Réelle
II-5-1 Source infini
II-5-2 a partir d’une couche limitée
II-6 Homojonction
II-6-1 Profil de Dopage Gaussienne-Constant
II-6-1-a Jonction Métallurgique
II-6-1-b Champ Electrique et Barrière de potentiel
II-6-1-c Extension des Zone de Charge d’Espace
II-6-1-d Modélisation des Extensions
II-6-2 Profil Erf
II-6-2-a Position de la Jonction
II-6-2-b Champ Electrique
II-6-2-c Hauteur de Barrière
II-6-2-d Modélisation des Extension de charge d’espace
II-7 Hétérojonction
II-7-1 Profil Gaussienne-Gaussienne
II-7-2 Modélisation
II-8 Mécanismes de transport dans une structure à jonction p-n
II-8-1 Mécanisme de diffusion
II-8-2 Mécanismes de génération recombinaison
II-8-2-a Mécanisme de recombinaison
II-8-2-b Mécanisme de génération
II-8-3 Effet tunnel bande à bande
II-8-4 Effet tunnel assisté par centres pièges
II-9 Conclusion
II-10 bibliographies
CHAPITRE III : techniques expérimentales de dépôt et présentation des matériaux
utilisent
III -1 Introduction
III-2 Réalisation des couches minces
III-2-1 Préparation des substrats
III-2-1-a Gravure des oxydes transparents conducteurs
III-2-1-b nettoyage des substrats
III-3 Réalisation d’un dépôt par sublimation
III-4 Dispositifs pour l’obtention du vide
III-5 Mesure d’épaisseur
III-6 Dépôt des Matériaux d’une cellule organique
III-6-1 Obtention des films organiques
III-6-2 Evaporation des contacts métalliques
III-6-3 Dépôt d’aluminium
III-6-4. Dépôt du sélénium (encapsulation)
III-7 Mesures courant-tension (I-V)
III-8 Présentation des matériaux utilisés
III-8-1 L’oxyde transparent conducteur
III-8-2 Etude des couches minces de Fullerène C60
III-8-3 Couches minces de Phtalocyanine de cuivre CuPc
III-8-4 Le tris(8-hydroxyquinoline) aluminium (AlQ3
III-8-5 Le trioxyde de molybdène MoO3
III-9 Conclusion
III-10 Bibliographies
CHAPITRE IV : L’effet d’une Couche Mince MoO3 sur le Vieillissement d’une Cellules Solaire et Modélisation de ces Courants
IV-1 Introduction
IV -2 Elaboration d’une cellule solaire
IV-3 Le modèle de Schokley pour la caractéristique courant- tension d’une diode à jonction p-n
IV-3-1 Caractéristique courant tension d’une diode idéale
IV-3-2 Caractéristique courant- tension d’une diode réelle
IV-3-3 Paramètre d’une diode à jonction p-n
IV-3-3-a Le Courant de saturation Is
VI-3-3-b Le facteur d’idéalité n
IV-3-3-c La résistance série Rs
IV-3-3-d La résistance de fuites R
IV-4 Méthodes Analytique d’extraire des paramètres électriques
IV-4-1 La méthode classique
IV-4-2 La méthode de Norde
IV-4-3 La méthode de Werner
IV-4-4 La méthode de Ranuarez
IV-5 Résultats de l’expérience
IV-6 Théorie et discussion
IV-7 Conclusion
IV-8 bibliographies
CONCLUSION GÉNÉRALE
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