Incorporation de NTC fonctionnalisés dans la couche active de cellules solaires organiques

Cellules solaires organiques à hétérojonction en volume avec incorporation de CNT dans la couche active Il existe différentes configurations possibles pour les cellules solaires organiques avec par exemple les configurations de type bipolaire, à hétérojonction en volume ou tandem comme expliqué dans le chapitre I. Lors de cette thèse, le but est d’incorporer et de comprendre l’influence de NTC fonctionnalisés dans la couche active de cellules solaires. En effet, comme expliqué dans la première partie de ce paragraphe, dans la littérature les travaux déjà menés dans ce domaine ont relevé plusieurs points problématiques pour l’incorporation de NTC. Plusieurs choix ont donc été faits pour arriver au but fixé, le premier choix a été d’étudier uniquement des cellules à hétérojonction en volume car dans cette configuration les matériaux donneurs et accepteurs sont interpénétrés. Grâce à cette configuration, l’affinité mise en avant dans les chapitres précédents entre les NTC et les matériaux accepteurs peut être intéressante. Le deuxième et dernier choix a été de tester deux approches différentes pour l’incorporation des NTC soit en tant que matériau accepteur soit comme dopant afin d’analyser l’impact de la fonctionnalisation des NTC dans tous les cas possibles d’intégration de NTC dans la couche active. Incorporation de NTC fonctionnalisés dans la couche active de cellules solaires organiques .

Contexte  NTC comme accepteur

De manière générale, les NTC qu’ils soient monoparois ou multiparois sont introduits dans la couche active de cellules solaires organiques en les mélangeant à un composé donneur avant d’être déposé à la tournette. La couche active est couramment déposée sur une couche d’ITO recouverte de 50 à 100 nm de PEDOT:PSS. Le matériau donneur est souvent un polythiophène comme le P3OT ou le P3HT régiorégulier car ils ont une mobilité élevée avec une longueur de conjugaison d’environ 25 monomères. Après la fabrication, les cellules sont recuites pour augmenter le transfert, le transport et la collecte des charges grâce à l’alignement des chaines de polymères et à la séparation optimale du composé donneur et du composé accepteur. Kymakis et Amaratunga ont été les premiers à intégrer des NTC comme accepteurs dans la couche active d’une cellule à hétérojonction en volume [17]. Dans cette étude, les NTC ont été intégrés en faible concentration (inférieure à 1 % en poids) et ont permis d’augmenter la VOC et le JSC grâce à une meilleure nanostructure qui favorise les jonctions entre le donneur et l’accepteur et donc la dissociation des excitons. De plus, la percolation des NTC a permis d’avoir un chemin continu pour le transport des électrons. Cependant, malgré les bonnes propriétés des NTC, les cellules solaires incorporant des NTC comme accepteurs ont des rendements faibles de l’ordre du pourcent. Différentes explications sont décrites dans la littérature. L’une d’entre elles est que les NTC sont incorporés en faibles quantités dans les cellules solaires (souvent moins de 1 %) [185] [186], ce qui implique une dissociation des excitons non complète à cause de la mauvaise percolation entre les NTC et les polymères. Malheureusement si une quantité plus importante de NTC est incorporée, la présence des NTC métalliques provoque une augmentation de la recombinaison des charges et des courts-circuits. L’un des principaux problèmes est donc le mélange des NTC métalliques et semi-conducteurs.

NTC comme dopant

L’incorporation de NTC comme accepteur pose donc de nombreux problèmes, c’est pour cette raison qu’en parallèle des recherches ont été menées pour arriver à profiter des performances des NTC non plus en tant qu’accepteurs mais en tant que dopants. En effet, les NTC ont par exemple été fonctionnalisés à des fullerènes C60 dans le cas de NTC multiparois [50] ou enrober autour de fullerènes C70 dans le cas de NTC monoparois [195] dans le but de limiter les défauts comme la faible mobilité du PCBM ou la recombinaison des charges après la dissociation des excitons. Malgré l’augmentation du courant de courts-circuits et de l’IPCE observée dans ces deux travaux, le rendement final des cellules restent faible en dessous du pourcent. Pradhan et al. [196] ont aussi travaillé sur l’incorporation de NTC comme dopants dans le cas de P3HT enrobé de NTC multiparois fonctionnalisés avec comme accepteur un fullerène (C60) et ont observés une augmentation du courant de courts-circuits et de la VOC pour des cellules avec NTC en comparaison avec des cellules sans NTC. De même, Ren et al. ont aussi augmenté le courant de courts-circuits et la VOC de cellules en utilisant des NTC enrichis en semiconducteurs. Cela leur a permis d’augmenter de 80 % le rendement des cellules avec NTC en comparaison aux cellules sans NTC en grande partie à cause de l’augmentation de la mobilité des charges due à la présence des NTC semiconducteurs [197]. L’un des meilleurs rendements a été obtenu par Berson et al. [198] qui ont étudié des cellules incorporant des NTC monparois ou multiparois dans une couche active P3HT-PCBM. L’optimisation de la concentration de NTC leur a même permis d’atteindre un rendement de 2 % pour une cellule incorporant des NTC multiparois grâce à l’augmentation du courant en courtcircuit qui a compensé la diminution de la VOC et du FF [198]. En comparaison, les meilleures cellules solaires à base de P3HT et de PCBM ont des rendements d’environ 4 à 6 %. Au final, malgré toutes les recherches menées sur l’incorporation de NTC comme dopants, de faibles augmentations des rendements des cellules ont été observées et l’un des principaux problèmes relevé est la présence des NTC métalliques comme pour l’incorporation de NTC comme accepteurs. En effet, Alley et al. ont réalisé une étude sur l’intégration de NTC dans des cellules P3HTPCBM et ont conclu que l’incorporation de NTC dans les cellules pourrait se faire uniquement quand une source de NTC semi-conducteurs à grande échelle sera trouvée [199]. Lors de cette thèse, le but est donc de tester l’incorporation de NTC fonctionnalisés comme dopants car ces NTC doivent permettre de diminuer les problèmes liés à la présence des NTC métalliques.