Amélioration de l’absorption de la couche de pérovskite de CH3NH3PbI3

Introduction

 La conversion de la lumière par effet photoélectrique a été découverte en 1839. Cette conversion d’énergie lumineuse en une énergie électrique s’effectuer par le biais d’un capteur constitué de matériaux sensibles à l’énergie transportée par les photons. Ce capteur se présente à l’échelle élémentaire sous forme d’une cellule nommée cellule photovoltaïque. La quantité d’énergie électrique ainsi générée peut varier en fonction du matériau utilisé et de la capacité du capteur à collecter des électrons avant qu’ils ne se recombinent dans le matériau. Les cellules photovoltaïques les plus performantes (>20%) à l’heure actuelle sont uniquement composées de semi-conducteurs inorganiques, comme le silicium. Cependant, leur production est très coûteuse d’un point de vue énergétique et donc financier. D’autres cellules ne présentant pas cet inconvénient ont donc été développées. Parmi elles, celles dites « à pérovskites» semblent prometteuses. 

 Historique des cellules photovoltaïques

 La découverte de l’effet photovoltaïque est attribuée à E. Becquerel [2,3]. En 1839, il démontra l’existence d’un photo-courant lorsque des électrodes de platine recouvertes de chlorure d’argent ou de bromure d’argent plongées dans une solution acide sont éclairées. En 1876, Adam et Day observèrent pour la première fois un effet photovoltaïque dans un solide [4]. En effet, ils prouvèrent qu’un courant pouvait être généré suite à l’illumination d’un barreau de sélénium en contact avec du platine. En 1883 [5,6], Fritts réalisa la première cellule photovoltaïque à base de sélénium. Il fallut attendre de nombreuses années avant de voir un net progrès dans les performances photovoltaïques. En 1954, les laboratoires Bell (Etats-Unis) développèrent une cellule à base de silicium ayant un rendement de 6% [7]. Au cours de la même année, les laboratoires de l’armée de l’air américaine publièrent également un rendement de 6% pour une cellule à base de Cu2S/CdS [8]. Le premier choc pétrolier de 1973, fut un événement important dans le développement des cellules photovoltaïques. Suite à cet événement, une conférence fut organisée durant la même année aux Etats-Unis. Elle déboucha sur la mise en place de moyens financiers permettant le développement du photovoltaïque. En 1975, l’Agence Américaine de Recherche et Développement de l’Energie, ayant pour but le développement des énergies renouvelables, fût fondée, mobilisant ainsi beaucoup de chercheurs qui explicitèrent les mécanismes de base d’une cellule photovoltaïque.

 Principe de fonctionnement et mécanismes de base d’une cellule photovoltaïque

 La cellule solaire, partie élémentaire d’un module photovoltaïque, est aussi l’élément actif dans lequel se produit l’effet photovoltaïque. Les matériaux de la cellule captent l’énergie lumineuse (photons) et la transforment en énergie électrique caractérisée par un déplacement de charges, positives et négatives. De manière générale, les cellules photovoltaïques peuvent être vues comme un empilement [9,10]: – D’une couche anti reflet permettant d’améliorer les performances de la cellule : meilleure absorption de la lumière, meilleure diffusion des porteurs de charges dans le matériau etc. – D’une grille conductrice au-dessus ou cathode (qui permet à la lumière d’atteindre les atomes présents dans la cellule photovoltaïque) ; – De la couche active (ou l’absorbeur) constituée d’un premier matériau accepteur d’électrons et d’un second matériau donneur d’électrons, formant une jonction donneuraccepteur ; – D’un métal conducteur en dessous ou anode qui est chargé de collecter le courant généré. Certaines des plus récentes possèdent même une nouvelle combinaison de multicouches réfléchissants justes en dessous du semi-conducteur, permettant à la lumière de rebondir plus longtemps sur celui-ci (augmenter l’absorption) pour améliorer le rendement. Ainsi, ce qui différencie une cellule solaire d’une autre, c’est principalement la nature de l’absorbeur. Les propriétés physico-chimiques de l’absorbeur dépendent les procédés de dépôt utilisés, la nature et les caractéristiques des autres composants de la cellule (anti-reflet, électrodes…) ainsi que son architecture globale : type de substrat, épaisseur, positionnement des électrodes etc. 1-Verre 2-Revetement anti reflets 3-Grille conductrice 4-Semi-conducteur type N 5-Semi-conducteur type P 6-Conducteur 6 Figure I.1 : Structure d’une cellule photovoltaïque [11] Le principe des cellules photovoltaïques repose sur la création d’une jonction p-n, c’est-à-dire la mise en contact d’un semi-conducteur de type N (la quantité d’électrons libres est supérieure à celle du matériau intrinsèque) et un de type P (la quantité d’électrons libres est inférieure à celle du matériau intrinsèque). Au niveau du contact, les électrons et les trous se recombinent par diffusion, ce qui entraîne la formation d’une zone de charge d’espace (ZCE). Dans cette zone de charge un champ électrique apparaît à cause de la présence de dopants chargés et immobiles. Ce champ électrique permanent est orienté du semi-conducteur de type N vers celui de type P. Un équilibre s’établit donc entre la diffusion des porteurs de charges et le champ électrique. Une fois l’équilibre atteint, les électrons ne peuvent plus passer de la zone N vers la zone P et il en va de même pour les trous qui ne peuvent pas aller dans l’autre sens. Ce comportement est caractéristique d’une diode [9]. En fonctionnement, quand un photon arrache un électron de la matrice, créant ainsi un électron libre et un trou, sous l’effet de ce champ électrique ils partent chacun à l’opposé : les électrons s’accumulent dans la région N (qui devient le pole négatif), tandis que les trous s’accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pole positif). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n’y a pratiquement plus de porteurs de charges (électrons ou trous) puisqu’ils se sont annihiles, ou à proximité immédiate de la ZCE. 

Présentation des différents types de cellules photovoltaïques

 Les cellules à base de silicium

 Les cellules à base de silicium représentent plus de 95% de la production mondiale de cellules photovoltaïques. Le silicium cristallin possède un gap indirect de 1,11 eV, ce qui lui permet d’absorber une partie importante du rayonnement solaire. Il existe différents types de cellules en silicium [12]. Les cellules à base de silicium monocristallin avec un rendement de 25%. Les cellules composées de silicium polycristallin avec un rendement 20,4%. Des cellules à base de silicium amorphe avec un rendement dépassant à peine les 10%.

Les cellules tandem 

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules absorbant dans des domaines spectraux connexes, on améliore le rendement théorique par rapport à 7 celui des cellules simples distinctes, qu’elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines [10]. • Avantage : sensibilité élevée sur une large plage de longueur d’onde • Rendement : 20,1% • Inconvénient : coût élevé dû à la superposition de deux cellules. 

 Cellule CIGS 

Dans l’alliage CIGS, la structure utilisée est sous forme d’une couche mince polycristalline et forme une jonction complexe constituée de matériaux de natures différentes (hétéro-jonction) de type CIGS(P)/CdS(N)/ZnO(N) dans les dispositifs à plus haut rendement [10]. • Rendement : 13% à 14% • Inconvénient : très polluant à cause du Cadmium

Les cellules organiques 

Les cellules photovoltaïques organiques sont des cellules dont la couche active est constituée de molécules organiques. Dans un semi-conducteur inorganique, où on peut facilement contrôler les champs internes avec le dopage, l’électron excité peut alors se déplacer jusqu’aux électrodes, générant ainsi un champ électrique externe. La situation est plus complexe dans un matériau organique à cause de sa faible conductivité électrique, de sa faible constante diélectrique et de sa morphologie complexe qui empêchent un dopage contrôlé et diminuent l’écrantage. Ainsi, dans ces matériaux, une charge est généralement confinée par une ou plusieurs molécules. Les électrons excités restent ainsi liés aux trous, formant un exciton, et ne peuvent se séparer aux interfaces du dispositif. L’exciton peut également se recombiner après un certain temps, de façon radiative ou non, détruisant ainsi les porteurs de charges [12]. • Rendement : 5 % à 8 % 

Les cellules multijonctions

 Chaque type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d’onde maximale au-delà de laquelle il est incapable de convertir le photon incident en énergie électrique et en deçà de cette longueur d’onde, le surplus d’énergie (différence entre énergie incidente et énergie d’extraction) véhicule par le photon est perdu. D’où l’intérêt de choisir des matériaux avec des longueurs aussi proches les unes des autres afin d’absorber la majorité du spectre solaire, générant ainsi un maximum d’électricité .