Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les cellules solaires à base de silicium sont actuellement les plus utilisées dans le monde. Cependant, leur mise en œuvre lourde et coûteuse, comme la fusion et l’équarrissage, ne permet pas d'envisager son utilisation dans des secteurs bon marché. Une solution de substitution, basée sur la technologie propre aux couches mines, est en pleine émergence, notamment les cellules hybrides et tout organique. Non seulement l’élaboration de grandes surfaces souples devient réalisable mais de plus elles présentent un rendement photovoltaïque bien appréciable. Pour autant, les matériaux utilisés doivent posséder des propriétés physiques et chimiques particulières. Sont citées et analysées les caractéristiques des différents matériaux constituant une cellule nanocristalline à colorant et une cellule tout organique.
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Silicon-based solar cells are currently the most widely used globally. However, as their implementation is difficult and costly such as fusion and squaring does not allow for considering its usage in cheap sectors. An alternative solution, based upon the technology specific to thin films is in full development, and notably hybrid and all-organic cells. Not only has the elaboration of large flexible surfaces become achievable but they furthermore present a satisfactory photovoltaic yield. However, the materials used must possess highly specific physical and chemical properties. This article mentions and analyses the characteristics of the various materials constitutive of a nanocrystalline cell with coloring and a all-organic cell.
Auteur(s)
-
Fabrice GOUBARD : Professeur au Laboratoire de physicochimie des polymères et des interfaces Université de Cergy-Pontoise
INTRODUCTION
Les cellules solaires à base de silicium représentent actuellement la quasi-totalité des cellules utilisées dans le monde. Cependant, sa mise en œuvre ne permet pas d'envisager son utilisation dans des secteurs bon marché. En effet, basée sur la reduction de la silice, l'élaboration de tels dispositifs nécessite des transformations lourdes et coûteuses comme la fusion et l'équarrissage du matériau. Depuis quelques temps, ont émergé des solutions à bas coût utilisant principalement la technologie propre aux couches minces. Cette dernière repose sur la superposition de couches actives conductrices d'épaisseur totale 10 à 20 fois inférieure à celle de couches monoblocs de silicium. D'autre part, le degré de pureté des produits requis est de 2 ordres de grandeur plus faible que celui demandé pour un dispositif au silicium. Issues de cette technologie propre aux couches minces, les cellules hybrides et tout organique comptent parmi les plus prometteuses. Elles doivent leur succès non seulement à la possibilité de réaliser de grandes surfaces souples grâce au procédé par enduction « roll-to-roll » mais aussi à leur rendement photovoltaïque de plus en plus appréciable. Cependant, les matériaux utilisés doivent posséder des propriétés physiques et chimiques particulières répondant à la fois au fonctionnement d'une cellule photovoltaïque et à sa mise en œuvre. Dans cette étude, nous citerons et analyserons les caractéristiques des différents matériaux constituant une cellule nanocristalline à colorant et une cellule tout organique. Puis, nous détaillerons leur mise en œuvre au sein d'un dispositif.
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Cellule photovoltaïque nanocristalline à colorant1. Cellule photovoltaïque tout organique
1.1 Principe
Une cellule photovoltaïque organique est un dispositif comprenant une couche active organique (à base de polymères ou de petites molécules) d'une épaisseur de l'ordre de la centaine de nm, insérée entre deux électrodes. L'une d'entre elle doit être semi-transparente afin de permettre la pénétration de la lumière. La couche active est constituée de deux matériaux, l'un accepteur d'électrons et l'autre donneur d'électrons (figure 1). Le procédé photovoltaïque est initié par l'absorption d'un photon par le donneur d'électrons et/ou l'accepteur d'électrons permettant la formation d'un état excité correspondant à la création d'une paire liée électron-trou appelée exciton. Contrairement au cas des cellules inorganiques, la paire électron-trou constituant cet exciton est très liée, du fait de la forte attraction coulombienne dans les matériaux organiques (attraction inversement proportionnelle à la permittivité diélectrique de ces matériaux qui est beaucoup plus faible que celle du silicium). Si la longueur de diffusion de l'exciton est suffisamment grande pour permettre à l'exciton de rencontrer l'interface, la séparation des charges peut avoir lieu. Les charges ainsi séparées diffusent dans leurs matériaux respectifs (matériau accepteur d'électrons pour les électrons, matériau donneur d'électrons pour les trous) et sont collectées aux électrodes respectives.
Les positions respectives des travaux de sortie des électrodes et les niveaux énergétiques HOMO et LUMO des matériaux organiques doivent permettre une collecte des charges maximales. Ces paramètres apparaissent déjà comme importants et conditionnant le rendement photovoltaïque.
Le rendement photovoltaïque d'une cellule η est défini selon la formule suivante :
( 1 )
où JCC est le courant de court-circuit (mA/cm2), VCO est le potentiel à circuit ouvert (V), FF est le facteur de remplissage (appelé aussi facteur de forme), Pin la puissance de la lumière incidente (valeur standard 100 mW · cm–2).
JCC...
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Cellule photovoltaïque tout organique
BIBLIOGRAPHIE
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