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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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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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2. Cellule photovoltaïque nanocristalline à colorant
2.1 Principe
Les cellules solaires nanocristallines à colorant dites cellules de Grätzel sont inspirées de la photosynthèse : la couche active est formée, d'un côté, d'un oxyde semi-conducteur recouvert d'un colorant et, de l'autre, d'une solution électrolytique. Le colorant est greffé à la surface de l'oxyde sous la forme d'une couche monomoléculaire. Il absorbe les rayons solaires incidents (η abs) qui l'amènent dans un état électroniquement excité, d'où il est à même d'injecter un électron (η tc) dans la bande de conduction du dioxyde de titane. Les électrons ainsi injectés traversent la couche (η tr), ils sont ensuite recueillis (η cc) par un collecteur de courant qui permet de les diriger vers un circuit externe où leur passage produit de l'énergie électrique (figure 11). Les bons rendements obtenus pour ces cellules s'expliquent en grande partie par le fait que le retour de l'électron dans la bande de conduction sur le colorant oxydé C+ est beaucoup plus lent que la réduction de C+ par le couple redox (D) en solution. De ce fait, la séparation de charge est efficace. Le médiateur oxydé (D+) du couple redox est réduit à la contre-électrode. La tension maximale débitée correspond à la différence entre le potentiel d'oxydoréduction du couple redox et le niveau de Fermi du semi-conducteur. La charge positive est transférée du colorant (C+) au médiateur D (généralement un iodure) présent dans la solution qui baigne la cellule. Ce médiateur, alors oxydé en tri-iodure, diffuse à travers la solution. Ainsi, le cycle des réactions redox est bouclé, transformant l'énergie solaire absorbée en un courant électrique.
HAUT DE PAGE2.2 Matériaux
Les photoélectrodes à base de Si, GaAs, InP, CdS se décomposent par photocorrosion sous irradiation en solution. En revanche, les matériaux semi-conducteurs à base d'oxyde, en particulier TiO2 et ZnO, ont une bonne stabilité chimique sous irradiation visible en solution ; en outre, ils sont non toxiques et peu coûteux. Quelques exemples des matériaux utilisés sont donnés dans la figure 12...
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BIBLIOGRAPHIE
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