Caractérisation et Modélisation de Cellules Photovoltaïques Organiques à Base de Nouveaux Matériaux Composés

Abstract

Malgré leurs rendements de conversion faibles comparés à celui des cellules solaires à base de silicium, les cellules photovoltaïques organiques (PVO) présentent de réelles perspectives d'avenir dans le domaine des énergies renouvelables. Ceci est principalement dû aux avantages réels qu’offre ce genre de cellules tels que la flexibilité, la légèreté, la semi-transparence et le coût de production faible. Au cours des dernières décennies, de nombreuses études se sont concentrées sur l'utilisation de nouveaux matériaux et structures visant à améliorer les performances des cellules PVO. Parmi les structures les plus efficaces, on peut citer celle faites de mélanges de polymères conjugués (donneurs) et de molécules de fullerène (accepteurs) pour former des hétérojonctions en volume (BHJ). La cellule PVO conventionnelle composée de mélange interpénétré poly (3- hexylthiophène) / 6,6-phenyl C61-butyric acid methyl ester (P3HT: PCBM) est parmi les cellules les plus étudiées dans la littérature. C’est pourquoi il a été choisi, dans ce travail, d'optimiser les paramètres électriques de cette cellule en s’appuyant sur la modélisation optique sous différents aspects tenant compte de l’influence des paramètres technologiques et structurels de la cellule PVO sur ses performances optiques. L'optimisation de la géométrie de la cellule PVO P3HT :PCBM a été, initialement effectuée en utilisant le formalisme de la matrice de transfert. Le but étant de placer le maximum de la distribution du champ électromagnétique au milieu de la couche photoactive afin d’augmenter l'absorption optique dans cette couche. La cellule optimisée résultante sera utilisée comme cellule de référence lors de l’étude de l’influence des paramètres technologiques contrôlant la morphologie de la couche active sur les propriétés optiques de la cellule PVO. En effet, l’étude de l’'influence du rapport massique du mélange interpénétré sur les performances optiques de la cellule PVO optimisée a montré l’existence d’un lien fort entre l'augmentation du rapport de masse entre le P3HT et le PCBM et l'augmentation de l'absorption dans la couche active. Les résultats de la simulation montrent que la couche active de rapport massique 2: 1 donne les meilleures propriétés optiques de la cellule PVO. Par ailleurs, l’étude de l'influence du processus de recuit sur les propriétés optiques de la cellule PVO optimisée a montré une forte corrélation entre l'augmentation de la température de recuit de la couche active et l'augmentation de l'absorption. Cette amélioration est principalement attribuée à la cristallisation du matériau polymère (P3HT) conduisant à une meilleure absorption π-π *. La meilleure performance a été obtenue pour une température de recuit égale à 140°C. Enfin, la cellule PVO tandem P3HT: PCBM / pBBTDPP2: PCBM a été optimisée en tenant compte de la disposition des deux cellules l'une par rapport à l'autre. La simulation visait à trouver la meilleure configuration donnant la densité de courant de court-circuit adaptée « current matching » la plus élevée (critère le plus important dans de telles structures). Les résultats de la simulation montrent un taux d'absorption couvrant tout le spectre du visible, ce qui présente un réel avantage d'utiliser ce type de structure afin d'améliorer le rendement des cellules PVO