Les cellules solaires organiques

Les différents types de cellules solaires organiques

Les cellules solaires organiques ont un bon rapport qualité prix mais elles sont moins stables et efficaces. Actuellement, leur durée de vie est de l’ordre de 5 à 10 ans avec des rendements autour de 8 à 10 % ce qui permet d’envisager selon certain modèle un coût d’environ 10 eurocents/kWh [82]. Ces dernières années, les recherches menées sur les cellules solaires organiques ont été réalisées avec différents designs (Tableau I-4) : bicouche, à hétérojonction en volume et tandem. anode cathode electrolyte Matériau Sc colorant Tableau I-4 : Performance de cellules solaires selon différents designs [83]  Cellule solaire organique bicouche En 1986, Tang et al. ont réalisé la première cellule à bicouche en utilisant le concept de donneur-accepteur avec un rendement d’environ 1 % [84]. L’architecture de ce type de cellule est d’empiler sur l’anode un donneur puis un accepteur et enfin la cathode (Figure I-27).

Cela implique une faible interface entre le matériau donneur et le matériau accepteur qui rend la séparation de charges compliquée. La recombinaison des excitons est donc un gros problème dans ce type de cellule. De plus, il y a aussi une mauvaise interface entre les électrodes et les couches organiques ce qui implique un quenching des excitons. Pour y remédier, différents trio de cathodes, donneurs et accepteurs ont été testés ce qui a permis de doubler le rendement [84] [85] [86]. Par la suite, en plus de faire varier la cathode et la couche active, des couches ont été ajoutées entre les électrodes et la couche active [87] [88] [89] [90]. D’un côté une couche de PEDOT:PSS facilite le transport des trous vers l’anode et de l’autre une couche bloque les excitons (par exemple de la bathocuproine).

En conclusion, il semble difficile d’atteindre des rendements supérieurs à 5 % à cause de la structure de la cellule. C’est pour cette raison que d’autres designs ont été étudiés. Figure I-27 : Schéma d’une cellule solaire organique à bicouche Jsc (mA/cm2 ) Voc (V) FF (%) η (%) Ref. ITO/CuPc (30 nm)/PTCBI (50 nm)/Ag 2.3 0.45 0.65 0.95 [84] ITO/PPV (60 nm)/BBL (60 nm)/Al 2.15 1.1 0.50 1.5 [85] ITO/CuPc/PTCDA/In 2.0 0.55 0.35 1.8 [86] ITO/SubPc (13 nm)/C60 (32.5 nm)/BCP (10 nm)/Al 3.36 0.97 0.57 2.1 [87] ITO/pentacene (45 nm)/C60 (50 nm)/BCP (10 nm)/Al 15 0.36 0.50 2.7 [88] ITO/PEDOT:PSS/CuPc (20 nm)/C60 (40 nm)/BCP (12 nm)/Al 18.8 0.58 0.52 3.6 [89] ITO/CuPc (20)/C60 (40 nm)/BCP (10 nm)/Ag 53.1 0.57 0.61 4.2 [90] ITO/MEH-PPV:PCBM (1:4)/Ca 2.0 0.80 0.25 1.5 [91] ITO/PEDOT:PSS/MDMO-PPV:PCBM (1:4)/LiF/Al 5.25 0.82 0.61 3.3 [92] ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM (1:0.8)/Al 9.5 0.63 0.68 5.0 [93] ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/TiOx /Al 11.1 0.61 0.66 5.0 [94] ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PCBM/Al 14.5 0.74 0.69 7.4 [16] ITO/p -MeO-TPD (30 nm)/ZnPc:C60 (1:2, 60 nm)/n -C60 (20 nm)/Au (0.5 nm)/p -MeoTPD (125 nm)/ZnPc:C60 (1:2, 50 nm)/n -C60 (20 nm)/Al 10.8 0.99 0.47 3.8 [95] ITO/CuPc (7.5 nm)/CuPc:C60 (12.5 nm)/C60 (8 nm)/PTCBI (5 nm)/Ag (0.5 nm)/m – MTDATA:F4TCNQ (5 nm)/CuPc (6 nm)/CuPc:C60 (13 nm)/C60 (16 nm)/BCP (7.5 nm)/Ag 9.7 1.03 0.59 5.7 [96] ITO/PEDOT:PSS/PCPDTBT:PCBM/TiOx /PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/TiOx /Al 7.8 1.24 0.67 6.5 [97] Tandem OSCs Bilayer OSCs Bulkheterojunction OSCs accepteur anode cathode donneur Cellule solaire organique à hétérojonction en volume La première cellule à hétérojonction en volume a été créée en 1995 par Heeger et al. avec un rendement d’environ 1.5 % [91].

La principale différence avec la cellule solaire organique à bicouche est que le donneur et l’accepteur sont mélangés et démixent au sein de la même couche (Figure I-28). Pour augmenter le rendement de ce type de cellules les recherches ont été menées selon divers axes [91] [92] [93] [94] [16] : – choix du meilleur trio solvant, donneur et accepteur afin d’avoir la meilleure morphologie – optimiser le recuit après le dépôt de la cathode pour encore améliorer la morphologie – augmenter la mobilité des trous et l’absorption des photons en augmentant la cristallinité du donneur (par exemple avec le polymère P3HT le plus régiorégulier possible) – trouver le meilleur ratio donneur-accepteur – améliorer le contact entre la couche active et les électrodes Le meilleur rendement obtenu pour ce type de cellules est d’environ 7,5 % [16], en partie limité par la difficulté d’avoir un donneur qui absorbe au maximum la lumière du soleil