Cellule photovoltaïque tout organique
Matériaux pour les cellules photovoltaïques organiques et nanocristallines à colorant

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 J_CC est le courant de court-circuit (mA/cm²), V_CO est le potentiel à circuit ouvert (V), FF est le facteur de remplissage (appelé aussi facteur de forme), P_in la puissance de la lumière incidente (valeur standard 100 mW · cm^–2).

J_CC...