Concepts photoniques pour les cellules solaires organiques

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1 Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Concepts photoniques pour les cellules solaires organiques D. Duché, S. Vedraine, G. Rivière, G. Yeabiyo, H. Derbal, J. Le Rouzo, L. Escoubas, J-J. Simon, Ph. Torchio, W. Vervisch, F. Flory 1

2 Sommaire Contexte et motivations Cellules solaires organiques Concepts photoniques 2 Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

3 IM2NP Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Dispositifs Ultimes sur Silicium OPTO-PV Micro Capteurs Département Microélectronique Nanoélectronique Conception Thématique 1: Photovoltaïque silicium RFID capteurs Thématique 2 : Photovoltaïque organique Thématique 3 : Optoélectronique Département Matériaux Nanosciences Mémoires OBJECTIF: La conversion du photon vers l électron dans les cellules photovoltaïques et les photodétecteurs Signaux et systèmes

4 Moyens Humains et Matériels 14 permanents Enseignants-chercheurs / CNRS / ITA 13 étudiants thèses et post-docs Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Caractérisations : -Optique (ellipso, sphère intégrante, Diffusomètre, microftir, Photolum) -Electrique (4 pointes, I-V AM 1.5, C-V, DLTS, Effet Hall, LBIC, durée de vie, C-AFM) Salle blanche : Photolithographie Gravure humide et RIE Fours (dopage, recuit SiC) Métallisation Boite à gants (PV organique) Jet d encre DoD (en cours) MEB Thématiq ue 2 PV Organiqu e Thématique 1 PV Silicium Thématiq ue 3 Optoélect ronique Théorie et modélisation de l interaction lumière/ matière & génération d'électrons Modélisation électromagnétique Modélisation électrique (TCAD)

5 Thématique 2: Photovoltaïque organique Modélisation et optimisation électromagnétique : Photonique et Photovoltaïque Carry ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Position in the device Top Electrode Interface Layer Active Layer Interface Layer Transparente Electrode Electromagnetic field (V/m) Hauteur Cylindres en P3HT Période a hν Matrice de PCBM Cellules planaires Cristaux photoniques Plasmons Réalisations: Caractérisations : Laser P3HT:PCBM PEDOT:PSS ITO Position z, déflexion Pointe conductrice A Contrôleur Module TUNA paamplificateur V +/- Polarisation DC Cellules Nano-impression Ellipsométrie Ellipsomètrie Verre Platines de déplacement x,y AFM Veeco dimension D3100 C-AFM LBIC

6 Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Efficacité Effic de ciency conversion (%) (%) Single junction Rendements Organic solar cell efficiences Tandem des cell Cellules Solaires Organiques Cellule simple Cellule tandem Heliatek Konarka Solarmer Solarmer Solarmer Konarka Konarka 8.3% Certification Source Nanorgasol:

7 Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Quels challenges pour l optique? Cellules solaires organiques 13mA/cm² Densité de Courant J 40mA/cm² Record η ~ 8% Silicium 0,6 V Tension V Tension de circuit ouvert V co FF Facteur de forme Densité de courant de court-circuit J cc Bandes d Energies Transport excitons / charges Record η ~ 24% Absorption 7

8 Comment se répartie l énergie dans une cellule solaire organique? Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Champ Electromagnétique Cristaux photoniques Distribution Ener rgie (%) Electrodes transparentes ITO Couche active Couche d interface Electrode Réflexion Longueur d onde (nm) Encapsulation 800 Structuration du métal 8

9 Sommaire Contexte et motivations Cellules solaires organiques Concepts photoniques 9 Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

10 Cellule Solaire Organique + - Aluminium, Or LiF P3HT:PCBM PEDOT-PSS Indium Tin Oxyde Verre 10 Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

11 Cellule Solaire Organique ry Le Rouet 30 & 31 Mars Donneur : Polymère Accepteur : Petite molécule: dérivés du C 60 ou du C Photonique et Photovoltaïque Carr+

12 Cellule Solaire Organique Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Anode hν 1. Absorption des Photons (η A ) 5. Diffusion des Trous (η cc ) 2. Génération des Excitons (η exc ) 3. Diffusion des Excitons (η diff ) 4. Dissociation des Excitons (η TC ) Interface Donneur/Accepteur 5. Diffusion des Electrons (η cc ) Cathode 12

13 Sommaire Contexte et motivations Cellules solaires organiques Concepts photoniques 13 Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

14 Concepts photoniques Architecture d une cellule solaire organique Morphologie de la couche active ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 ~ 200 nm ~ 2 nm Donneur Accepteur Photonique et Photovoltaïque Carr nm ~ 45 nm ~ 180 nm hυ + _ Donneur Accepteur Longueur de diffusion des excitons : nm Longueur de diffusion des charges libres : ~ 200 nm 14

15 Top Electrode Interface Layer Active Layer Interface Layer Transparente Electrode Electromagnetic field (V/m) Un couplage de lumière additionnel Photonique et Photovoltaïque Carry ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Position ion in the device

16 ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Top Electrode Interface Layer Active Layer Interface Layer Photonique et Photovoltaïque Carr PCBM P3HT Transparente Electrode PCBM P3HT The perfectly ordered blend: Ideal structure? Disordered blend

17 Cristaux photoniques : Modélisations 80 Couplage de modes de Bloch lents : Vg = δω/δk 0 α = δ 2 ω/δk er modèle Photonique et Photovoltaïque Carry ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 A (%) D. Duchéet al. Appl. Phys. Lett. 92, (2008). Blend P3HT:PCBM Photonic crystal Wavelength (nm) Length Cylinders in P3HT P3HT/PCBM Period a Cristal Photonique = augmentation de l absorption de près de 35.5% Période = 500 nm!!! Diamètre = 400 nm!!! (600< λ < 693 nm) hν PCBM host matrix 17

18 Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

19 2 ème modèle Empilement classique Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

20 Cristaux photoniques : Modélisations Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 A (%) 80 ITO 70 PEDOT:PSS 60 L 2 50P3HT/PCBM ITO Polymère:PCBM PEDOT:PSS L 1 Ag L 2 Polymère:PCBM P3HT/PCBM 180 nm 45 nm 50 nm 180 nm 150 nm 50 nm 45 nm 50 nm 150 nm 50 nm *Doo-Hyun Ko et al., Nano Latters, 9(7):2742, ème modèle k Coefficient d'extinction k des deux polymères P3HT:PCBM cellule TDPTD:PCBM planaire (h = 200 cellule nm) planaire (h = 200 nm) Gain : 4% Gain : 11% k(p3ht:pcbm) P3HT:PCBM cellule TDPTD:PCBM structurée (h = cellule 200 structurée nm) (h = 200 nm) k(tdptd:pcbm)* L L 1 =0,28.P 10 Ag Longueur d'onde (nm) L 2 =0,57.P P=350 0 nm (P3HT:PCBM) P3HT:PCBM : Gap = 1.88 ev TDPTD:PCBM* : Gap = 1.63 ev P= nm (TDPTD:PCBM*) TDPTD = poly(3-(2-methyl-2 hexylcarboxylate) thiophene-co-thiophene) Longueur d'onde (nm) * D. Duché et al., accepté pour publication dans Sol. Energy Mater. Sol. Cells (2011). 0 04/04/

21 Nano-impression : P3HT:PCBM Coll. LTM Grenoble (C. Gourgon, C. Masclaux) MEB X 5000 MEB X Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

22 Nano-impression : P3HT:PCBM MEB X Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

23 Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 II. Nano-impression : P3HT pur 23

24 Caractérisation CP : P3HT:PCBM 500 nm 110 nm 910 nm Photonique et Photovoltaïque Carry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011

25 Caractérisation/Modélisation CP : P3HT:PCBM 500 nm 110 nm 910 nm ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 maille hexagonale (période : 500 nm, diamètre des trous : 115 nm) Mesures expérimentales (sphère intégrante) Modélisation (FDTD) Photonique et Photovoltaïque Carr Mesures ellipsométriques de n et k n k Longueur d'onde (nm) 0 25

26 CONCLUSIONS Photonique et Photovoltaïque Carr ry Le Rouet 30 & 31 Mars 2011 Research in progress in our team : Photonic crystals, plasmons, Geometrical optics, thin films Nanostructures for PV cells On going: Photonic engineered solar cells Improving light harvesting Electrical properties of these photonic concepts 26