Article de référence | Réf : NM5205 v2

Morphologie de la couche active
Photovoltaïque organique - Ingénierie des matériaux, de la nano-morphologie et des dispositifs

Auteur(s) : Nicolas LECLERC, Patrick LEVÊQUE

Relu et validé le 22 déc. 2023

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Présentation

RÉSUMÉ

Le photovoltaïque organique présente de nombreux avantages par rapport aux autres technologies photovoltaïques pour devenir un acteur majeur de la production durable d’électricité partout dans le monde. Les spécificités du photovoltaïque organique sont exposées dans cet article, de même que les principes de fonctionnement de cette technologie, depuis les matériaux employés jusqu’aux dispositifs. L’état de l’art et les verrous à lever pour que cette technologie d’avenir arrive à sa pleine maturité sont également évoqués.

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ABSTRACT

Organic solar cells : materials, nano-morphology and device engineering

Organic photovoltaics has many advantages over other photovoltaic technologies to become a major player in sustainable electricity production worldwide. In this article, the specificities of organic photovoltaics are presented as well as the operating principles of this technology, from the materials used to the devices. The state of the art and the obstacles to be overcome in order for this technology of the future to reach full maturity are also discussed.

Auteur(s)

  • Nicolas LECLERC : Directeur de recherche CNRS - Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES), université de Strasbourg, CNRS, UMR 7515, 25 rue Becquerel, 67087 Strasbourg, CEDEX 02, France

  • Patrick LEVÊQUE : Maître de conférences, université de Strasbourg - Laboratoire ICube, université de Strasbourg, CNRS, UMR 7357, 23 rue du Loess, 67037 Strasbourg, France

INTRODUCTION

La production d’énergie électrique à partir du rayonnement solaire est dominée, depuis toujours, par des panneaux photovoltaïques dont la couche permettant la conversion est constituée de silicium. Le photovoltaïque organique présente une couche de conversion constituée de semi-conducteurs organiques et possède des propriétés bien spécifiques. Ces propriétés spécifiques donnent au photovoltaïque organique de véritables atouts afin de compléter l’offre actuelle pour une production durable et renouvelable d’électricité. Dans cet article est présenté l’état de l’art du photovoltaïque organique et les points clefs qui doivent être encore développés afin de rendre cette technologie complètement mature. Cet article détaille, lors d’une première section, les principes de fonctionnement de cellules photovoltaïques organiques. Cette première section introduit la notion de photo-génération d’excitons, de dissociation des excitons, de semi-conducteur organique donneur et accepteur d’électrons, et d’hétérojonction volumique. Les points clefs à respecter afin d’obtenir des cellules solaires organiques efficaces sont exposés en détail, en insistant sur l’importance des niveaux énergétiques frontières des semi-conducteurs de la couche active et sur le rôle prépondérant de la morphologie de la couche active à l’échelle du nanomètre. Dans une seconde section, l’ingénierie des matériaux permettant d’ajuster les niveaux énergétiques frontières des semi-conducteurs organiques tout en conservant leurs bonnes propriétés électroniques et de mise en œuvre est détaillée. L’ingénierie moléculaire permet d’envisager une multitude de variations de la structure chimique des semi-conducteurs organiques afin d’ajuster les niveaux énergétiques frontières de ces matériaux. Au final, les semi-conducteurs organiques doivent aussi présenter de bonnes propriétés d’absorption de la lumière (gamme de longueurs d’ondes absorbées mais aussi amplitude du coefficient d’absorption), une mobilité des porteurs de charges suffisante pour extraire efficacement les charges libres, mais également une solubilité adéquate pour être déposés par voie humide. Il est souvent nécessaire de faire des compromis et de privilégier une propriété au détriment d’une autre. Dans une troisième section, l’accent est mis sur le contrôle de la morphologie de la couche active à l’échelle nanométrique, paramètre particulièrement important pour espérer élaborer des cellules photovoltaïques organiques à haut rendement. La morphologie de la couche active à l’échelle nanométrique est fortement dépendante de la structure moléculaire des semi-conducteurs organiques concernés et anticiper, pour des structures moléculaires données, la morphologie d’un mélange à l’échelle nanométrique, est un exercice particulièrement périlleux. Dans une hétérojonction volumique avec des domaines riches en matériau semi-conducteur donneur d’électrons et d’autres riches en matériau semi-conducteur accepteur d’électrons, la taille des domaines est importante mais n’est pas le seul paramètre d’intérêt. La pureté des domaines ainsi que la percolation des domaines vers les électrodes sont des paramètres qui ont un impact considérable sur les performances des cellules solaires organiques. Dans la quatrième section, les principes de base d’ingénierie des dispositifs photovoltaïques organiques sont exposés. Les différentes architectures possibles pour les cellules solaires organiques sont présentées ainsi que le rôle des différentes couches d’interface nécessaires à l’obtention de hauts rendements de conversion. Par manque de place, la part consacrée à l’élaboration, par des méthodes industrielles, des électrodes, des couches d’interface, de la couche active et des couches d’encapsulation ne sera pas détaillée dans cet article. La dernière section de cet article est un exposé de l’état de l’art du photovoltaïque organique et des pistes devant être encore explorées pour donner à cette technologie une vraie chance industrielle. Le domaine du photovoltaïque organique étant très dynamique, les rendements de conversion annoncés dans cette section qui couvre la période 2020-2021 seront sans aucun doute obsolètes rapidement. Néanmoins, l’analyse des stratégies ayant mené à ces résultats donne à l’ensemble de cet article une certaine pérennité.

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KEYWORDS

photovoltaic   |   organic semiconductors

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-nm5205

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4. Morphologie de la couche active

Au début de cet article, nous avons vu qu’il existait deux types de morphologie de couche active, la bicouche et l’hétérojonction volumique. La bicouche possède une limite intrinsèque difficile à contourner, à savoir son inadéquation avec la longueur de diffusion de l’exciton. En effet, celle-ci est d’environ 10 à 15 nm, et donc au-delà d’une telle distance, les excitons photogénérés ont toutes les chances de se recombiner et de ne pas contribuer efficacement à la conversion photovoltaïque. Donc l’épaisseur de couche active qui contribue efficacement à l’absorption dans une bicouche est d’environ 30 nm (si l’on considère un mélange binaire avec un NFA qui absorbe), ce qui limite considérablement le nombre de charges générées. En contrepartie, le transport des charges libres vers leurs électrodes respectives est supposé très efficace. L’hétérojonction volumique souffre souvent du mal opposé, à savoir, une interface D/A très large qui permet de dissocier de nombreux excitons, mais une bi-continuité des réseaux D et A au sein de la couche moins évidente, qui rend parfois le transport des charges libres difficile et augmente le taux de recombinaisons bi-moléculaires. Néanmoins, cela reste aujourd’hui, et de loin, la morphologie la plus efficace. Cependant, une dernière morphologie apparaît comme idéale et pouvant combiner les avantages de chacune des structures ci-dessus : il s’agit d’une structure dite interdigitée (Figure 12. Cette structure idéale est imaginée comme une couche lamellaire parfaite, dont les lamelles sont orientées perpendiculairement au plan des électrodes (afin de créer les chemins de percolation pour chacune des charges) et de taille égale à 20-30 nm (environ le double de la longueur de diffusion de l’exciton, afin d’obtenir un taux de dissociation élevé). Cette couche active lamellaire est idéalement comprise entre deux fines couches de chacun des constituants purs afin de créer la sélectivité...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  ©Fraunhofer ISE : Photovoltaics Report, updated (2020).

  • (2) -   *  -  https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html.

  • (3) - DESTRUEL (P.), SEGUY (I.) -   Les cellules photovoltaïques organiques  -  [RE 25] (2004).

  • (4) - CUI (Y.), XU (Y.), YAO (H.), BI (P.), HONG (L.), ZHANG (J.), ZU (Y.), ZHANG (T.), QIN (J.), REN (J.), CHEN (Z.), HE (C.), HAO (X.), WEI (Z.), HOU (J.) -   Single-junction organic photovoltaic cell with 19 % efficiency.  -  Advanced Materials 20102420 (2021).

  • (5) - TANG (C.W.) -   Two-layer organic photovoltaic cell.  -  Applied Physics Letters, 48, p. 183-185 (1985).

  • (6) - YU (G.), HUMMELEN (J.C.), WUDL (F.), HEEGER (A.J.) -   Polymer photovoltaic cells : enhanced efficiencies via a network of internal donor-acceptor heterojunctions.  -  Science,...

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