Cellule polymère photovoltaïque / Cellules photovoltaïques en polymères

Les cellules polymères photovoltaïques désignent une technique de cellules solaires organiques produisant de l'électricité à partir de la lumière avec polymères semiconducteurs.

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Énergie solaire - Opto-électronique - Composant électronique - Semi-conducteur organique - Polymère conducteur - Polymère - Thiophène - Fullerène

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Les cellules polymères photovoltaïques désignent une technique de cellules solaires organiques produisant de l'électricité à partir de la lumière avec polymères semiconducteurs. C'est une technique assez récente étudiée en laboratoire par des groupes industriels et des universités à travers le monde.

Fullerène C60.
Deux maillons de PEDOT.
Poly (styrène sulfonate) .

Encore beaucoup au stade expérimental, les cellules polymères photovoltaïques offrent néanmoins d'intéressantes perspectives. Elles reposent sur des macromolécules organiques dérivées de la pétrochimie, dont les procédés de fabrication sont bien moins consommateurs d'énergie que ceux mis en œuvre pour les cellules à base de semiconducteurs minéraux. Leur coût de revient est énormément plus faible et elles sont plus légères et moins fragiles. Leur nature flexible les rend même aptes à s'intégrer à des matériaux souples en polymères organiques ou en silicones, ou alors à des fibres textiles. Leur développement peut tirer parti des progrès du génie chimique, par exemple dans l'auto-assemblage de ces molécules. [1] Leur principale faiblesse réside dans leur durée de vie toujours limitée induite par la dégradation des polymères quand ils sont exposés au soleil.

Principe de fonctionnement

La physique sous-jacente à l'effet photovoltaïque dans les semiconducteurs organiques est plus complexe à décrire que celle des cellules à semiconducteurs minéraux. Elle fait intervenir les différentes orbitales moléculaires, certaines jouant le rôle de bande de valence, d'autres de bande de conduction, entre deux espèces moléculaires différentes, l'une servant de donneur d'électrons et l'autre d'accepteur, organisées autour d'une hétérojonction comme dans le cas des semiconducteurs minéraux :

  1. Les molécules servant de donneurs d'électrons (par génération d'excitons, c'est-à-dire de paires électron-trou) sont caractérisées par la présence d'électrons π, le plus souvent dans un polymère conjugué dit «de type p».
  2. Ces électrons peuvent être excités par des photons visibles ou proches du spectre visible, les faisant passer de l'orbitale moléculaire haute occupée (jouant ici un rôle comparable à celui de la bande de valence dans un semiconducteur inorganique) à l'orbitale moléculaire basse vacante (jouant un rôle comparable à celui de la bande de conduction)  : c'est ce qu'on nomme la transition π-π* (qui correspond, en poursuivant l'ressemblance avec les semiconducteurs minéraux, à l'injection des porteurs dans la bande de conduction à travers la bande interdite). L'énergie requise pour cette transition détermine la longueur d'onde maximale qui peut être convertie en énergie électrique par le polymère conjugué.
  3. Au contraire de ce qui se passe dans un semiconducteur inorganique, les paires électron-trou, dans un matériau organique, demeurent étroitement situées, avec un couplage fort (et une énergie de liaison comprise entre 0, 1 et 1, 6 eV)  ; la dissociation des excitons est réalisée à l'interface avec un matériau accepteur d'électrons sous l'effet d'un gradient de potentiel chimique à l'origine de la force électromotrice du système. Ces accepteurs d'électrons sont dits «de type n».

Matériaux

Structure de polymères conducteurs : polyacétylène ; poly (para-phénylène-vinylène) (PPV)  ; polyaniline (X = N, NH), sulfure de polyphénylène (X = S)  ; polypyrrole (X = NH) et polythiophène (X = S).

Les cellules photovoltaïques organiques utilisent fréquemment des films en poly (éthylène naphtalate) (PEN) comme revêtements protecteurs en surface, dont le rôle essentiel est de prévenir l'oxydation des matériaux constituant les cellules photovoltaïques organiques : O2 est en effet une impureté qui agit comme un centre de recombinaison électron-trou, dégradant les performances électroniques des composants. Sous ces revêtements protecteurs, on trouve une ou plusieurs jonctions p-n entre matériaux donneurs et accepteurs d'électrons, comme dans une cellule photovoltaïque classique à semiconducteurs minéraux.

Un exemple de réalisation consiste à insérer des molécules de fullerène C60 comme accepteurs d'électrons (type n) entre des chaînes de polymères conjugués (telles que le PEDOT :PSS, constitué de poly (3, 4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) comme donneur d'électrons (type p) mélangé au poly (styrène sulfonate) (PSS) assurant sa solubilité).

En général, les recherches actuelles se portent par exemple sur des dérivés de polythiophènes comme polymères de type p, surtout le poly (3-hexylthiophène) (P3HT) , [2], [3] avec des dérivés de fullerène comme accepteurs (type n) tels que le [6, 6]-phényl-C61-butyrate de méthyle (PCBM) . [4]

D'autres couples p / n sont investigués, surtout à base de para-phénylène-vinylène (PPV) comme donneurs, tels que MEH-PPV / PCBM[5] ou MDMO-PPV / PCBM, [6] ou à la fois comme donneurs et comme accepteurs, tels que MDMO-PPV / PCNEPV. [7], [8]

Enduction

Les cellules polymères photovoltaïques peuvent être déposées sur des surfaces flexibles comme des encres avec procédés économiques et pourraient par conséquent permettre de réaliser des cellules photovoltaïques bon marché. Elles n'offrent néanmoins pour le moment que des rendements ne dépassant pas 5 % en laboratoire et doivent par conséquent être sensiblement perfectionnées avant de pouvoir jouer un rôle important dans la production d'énergie photovoltaïque.

Références

  1. Robert D. Kennedy, Alexander L. Ayzner, Darcy D. Wanger, Christopher T Day, Merissa Halim, Sæed I. Khan, Sarah H. Tolbert, Benjamin J. Schwartz, Yves Rubin, «Self-Assembling Fullerenes for Improved Bulk-Heterojunction Photovoltaic Devices», dans J. Am. Chem. Soc. , vol.  51, no 130, 2008, p.  17290–17292 [ texte intégral, lien DOI (pages consultées le 12/06/2009)  ] 
  2. P. -J. Alet, S. Palacin1, P. Roca, I. Cabarrocas, B. Kalache, M. Firon, R. de Bettignies, «Hybrid solar cells based on thin-film silicon and P3HT — A first step towards nano-structured devices», dans Eur. Phys. J. Appl. Phys. , vol.  36, 2006, p.  231-234 [ texte intégral, lien DOI (pages consultées le 12/06/2009)  ] 
  3. M. Valadaresa, I. Silvestrea, H. D. R. Caladob, B. R. A. Nevesa, P. S. S. Guimarãesa, L. A. Curya, «BEHP-PPV and P3HT blends for light emitting devices», dans Materials Science and Engineering : C, vol.  29, no 2, 2009, p.  571-574 [ texte intégral, lien DOI (pages consultées le 12/06/2009)  ] 
  4. P. Vanlækea, A. Swinnenb, I. Hældermansb, G. Vanhoylandb, T. Ærnoutsa, D. Cheynsa, C. Deibela, J. D'Hæna, P. Heremansa, J. Poortmansa, J. V. Mancaa, «P3HT/PCBM bulk heterojunction solar cells : Relation between morphology and electro-optical characteristics», dans Solar Energy Materials and Solar Cells, vol.  90, no 14, 2006, p.  2150-2158 [ texte intégral, lien DOI (pages consultées le 12/06/2009)  ] 
  5. Xianyu Deng, Liping Zheng, Chunhe Yang, Yongfang Li, Gang Yu, Yong Cao, «Polymer Photovoltaic Devices Fabricated with Blend MEHPPV and Organic Small Molecules», dans J. Phys. Chem. B, vol.  11, no 108, 2004, p.  3451–3456 [ texte intégral, lien DOI (pages consultées le 13/06/2009)  ] 
  6. Sylvain Chambon, Agnès Rivaton, Jean-Luc Gardette, Muriel Firon, «Photo- and thermal degradation of MDMO-PPV :PCBM blends», dans Solar Energy Materials and Solar Cells, vol.  91, no 5, 2007, p.  394-398 [ texte intégral, lien DOI (pages consultées le 13/06/2009)  ] 
  7. Ton Offermans, Paul A. van Hal, Stefan C. J. Meskers, Marc M. Kœtse, René A. J. Janssen, «Exciplex dynamics in a blend of π-conjugated polymers with electron donating and accepting properties : MDMO-PPV and PCNEPV», dans Phys. Rev. B, vol.  72, 2005, p.  045213 [ texte intégral, lien DOI (pages consultées le 12/06/2009)  ] 
  8. Magdalena Mandoc, Welmœd Veurman, Jan Anton Koster, Marc M. Kœtse, Jorgen Sweelssen, Bert de Bœr, Paul W. M. Blom, «Charge transport in MDMO-PPV :PCNEPV all-polymer solar cells», dans J. Appl. Phys. , vol.  101, 2007, p.  104512 [ texte intégral, lien DOI (pages consultées le 12/06/2009)  ] 

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