Organic solar cell

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PhD: Overview, interferences and plasmonic

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UNIVERSITE PAUL CEZANNE AIX-MARSEILLE IIIFacult des sciences et techniques Ecole Doctorale Physique et science de la matire

Amlioration de lecacit dabsorption des photons dans les cellules photovoltaques organiques

THSEprsente pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUNIVERSITE PAUL CEZANNEDiscipline : Optique lectromagntique et image prsente par

Florent Monestier

Thse soutenir le x avril 2008 devant le jury compos de : M. M. M. M. M. M. M. Ludovic Escoubas Pierre Destruel Andr Moliton Jean-Michel Nunzi Stphane Guillerez Jean-Jacques Simon Philippe Torchio Directeur de thse Rapporteur Rapporteur

Table des matiresTable des matires Table des gures Liste des tableaux Table des notations Introduction 1 Gnralits sur le photovoltaque et notions de bases sur le photovoltaque organique 1.1 Lindustrie photovoltaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Situation nationale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Prsentation des dirents types de cellules photovoltaques . . . 1.2 Paramtres lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Spectre solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Caractristique densit de courant/tension J(V) . . . . . . . . . . 1.3 Proprits des semi-conducteurs organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Prsentation des semi-conducteurs organiques . . . . . . . . . . . 1.3.2 Polymres conjugus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Petites molcules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Photoexcitation dans les matriaux photovoltaques . . . . . . . . 1.3.5 Dissociation des excitons par transfert de charges . . . . . . . . . 1.3.6 Polaron et transport de charges : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.7 Diagramme de Bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Principe de la conversion photovoltaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Cas des cellules au silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Cellules photovoltaques organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Structure des cellules photovoltaques organiques . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Structure gnrale des cellules organiques . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Contact Mtal/ Semi-conducteur organique . . . . . . . . . . . . 1.5.3 Cellule bicouche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 11 13 17

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19 19 19 21 22 25 25 26 28 28 28 29 31 35 36 39 40 40 41 45 45 46 49

1.6 1.7

1.5.4 Cellule compose dun mlange interpntr . . . . . . . . . . . . . 52 tat de lart des cellules photovoltaques organiques . . . . . . . . . . . . . 55 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 61 67 67 67 68 69 70 73 75 75 78

Bibliographie 2 Outils thoriques et modles numriques 2.1 Thorie des couches minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Rappel sur les ondes planes monochromatiques . . . . . . . . . . . 2.1.3 Etat de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Matrice de transfert dune couche mince . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Matrice de transfert dun empilement de couches minces . . . . . 2.2 Calcul des proprits optiques des cellules photovoltaques . . . . . . . . 2.2.1 Dtermination des grandeurs caractristiques . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Calcul de R, T et A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Modlisation et optimisation des cellules bicouches et mlanges interpntrs (blends) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Modlisation de la diusion des excitons et calcul de la densit de courant de court circuit dans les cellules bicouches . . . . . . . . . 2.3.2 Modlisation du transport des charges dans les cellules composes de mlanges interpntrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Procdure doptimisation des paisseurs . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie 3 Principaux Rsultats issus des modlisations 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Indices optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Technique de lellipsomtrie spectroscopique . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Indices des couches de transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Indices des couches de donneurs dlectrons (matriaux de type p) 3.2.4 Indices des couches daccepteurs dlectrons (matriaux de type n) 3.2.5 Indices des mlanges interpntrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Optimisation des paisseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Dnition de la zone dabsorption utile (ZAU) . . . . . . . . . . . 3.3.2 Cellules bicouches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Cellules photovoltaques constitues dun mlange interpntr . . 3.3.4 Cellules multijonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.5 Conclusion sur loptimisation des paisseurs . . . . . . . . . . . . 3.4 Modlisations optiques et lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. 81 . 82 . 85 . 88 . 89 91 93 93 94 94 95 95 99 100 101 101 103 109 112 122 122

. . . . . . . . . . . . . .

3.5

Modlisation de la variation du photocourant en fonction de lpaisseur de la couche active dune cellule constitue par un mlange interpntr P3HT : PCBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Inuence du ratio massique dans les cellules pentacne : perylne sur la densit de courant de court circuit (Jcc ) . . . . . . . . . . . 3.4.3 Modlisation de cellules bicouches CuPc/C60. . . . . . . . . . . . Conclusion sur les modlisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1

. 123 . 133 . 139 . 146 149 151

Bibliographie Conclusion

Table des gures1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 Rpartition de la production photovoltaque mondiale en 2006 suivant les direntes lires [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rpartition en % de la production en 2005 (a) et volution (b) de la production photovoltaque mondiale en MWc(b) [2] . . . . . . . . . . . . . . . Puissance cumule (en MW) des installations photovoltaques raccordes au rseau public en France mtropolitaine et DOM-TOM . . . . . . . . . . Schma dune cellule photovoltaque de Grtzel [5] . . . . . . . . . . . . . . Structure dune cellule hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rpartition spectrale du spectre solaire AM1.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . Caractristique J(V) dune cellule photovoltaque . . . . . . . . . . . . . . Exemples de polymres conjugus couramment utiliss dans les cellules photovoltaques organiques ( droite les drivs) . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemples de petites molcules conjugues couramment utilises dans les cellules photovoltaques organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recouvrement des orbitales 2pz dans la molcule de polythylne . . . . . . Conguration lectronique de ltat fondamental et de ltat excit et de la fonction donde des orbitales HOMO et LUMO de la molcule dthylne . Diagrammes des bandes dnergie des polymres conjugus et des accepteurs utiliss dans les cellules photovoltaques [10, 11] . . . . . . . . . . . . . . . Modications de la structure chimique de loctattrane suite lapparition dun exciton puis dune paire de polarons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reprsentation de la structure de bandes dnergie : Anode / semi-conducteur de type p / semi-conducteur de type n / Cathode en fonction de la polarisation [26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les 5 tapes de la conversion photovoltaque dans les semiconducteurs organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparaison du spectre du 3HT :PCBM. PPet du spectre solaire (P 12W.m2 ) Transfert photoinduit dlectron entre le P3HT et le PCBM . . . . . . . . Structure chimique du poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schma dun empilement constituant une cellule organique . . . . . . . . .

20 21 22 24 24 26 27 29 31 33 33 34 37

39 41 42 44 46 46

1.15 1.16 1.17 1.18 1.19

1.20 Diagramme de bande dune interface mtal/ semi-conducteur formant un contact ohmique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.21 Diagramme de bande dune interface mtal/ semi-conducteur formant un contact Schottky. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.22 Schma dune htrojonction planaire (bicouche) . . . . . . . . . . . . . . 1.23 Schma dune bicouche avec Ldif f < e < Lcc . La zone hachure indique la zone dabsorption o la majorit des photons sont convertis en charges puis rcuprs dans le circuit externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.24 Schma dune bicouche avec Ldif f < e et Lcc < e . . . . . . . . . . . . . . 1.25 Schma dune bicouche avec e < Ldif f et e < Lcc . La zone hachure indique la zone dabsorption o la majorit des photons sont convertis en charges puis rcuprs dans le circuit externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.26 Schma dune bicouche avec e < Ldif f et e > Lcc . La zone hachure indique la zone dabsorption o la majorit des photons sont convertis en charges puis rcuprs dans le circuit externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.27 Diagramme de bande dune jonction planaire donneur / accepteur (bicouche) de type : ITO/PEDOT/CuPc/C60/Al . . . . . . . . . . . . . . . 1.28 Schma dune htrojonction de volume (mlange interpntr).