ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL. PHS 4604 Conversion directe de l énergie

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1 ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL PHS 4604 Conversion directe de l énergie Les Panneaux Photovoltaïques Organiques État de l art, Rendement énergétique Delphine LAURENT Giovanni ANGELINI Jean-Baptiste LEPRETRE

2 Table des matières Introduction 3 1 Présentation du photovoltaïque organique Description du fonctionnement d une cellule photovoltaïque classique Description du fonctionnement d une cellule photovoltaïque organique Structures générales des cellules photovoltaïques organiques Présentation des différents types de cellules photovoltaïques Cellule à homojonction Cellule à hétérojonction en structure bicouche Cellule à hétérojonction en réseau interpénétré Matériaux utilisés actuellement pour les cellules photovoltaïques organiques Caractéristiques des panneaux photovoltaïques organiques Une technologie innovante Flexibilité et apparence Durée de vie De nouvelles applications ayant peu d impacts sur l environnement et à des prix défiants toute concurrence Rendement, limites de l efficacité et voies de recherche Comparaison des rendements des différentes technologies des panneaux photovoltaïques Définition du rendement des panneaux solaires Comparaison des rendements actuels Causes des limites des cellules photovoltaïques organiques et voie de recherche Encapsulation Morphologie Choix des matériaux Cellule Grätzel Conclusion 19

3 Introduction De nos jours, la problématique énergétique se révèle être de plus en plus urgente. Notre société a besoin d énergie peu dispendieuse, ce qui nous a malheureusement amené à exploiter, pour combler 85% de nos besoins, des combustibles fossiles qui s avèrent très polluants. Cette problématique nous a ainsi entrainé à chercher des solutions durables ayant à la fois un impact moindre sur l environnement et un faible coût. Comme nous le savons, les rayons du soleil sont une source qui, si nous réussissions à bien l exploiter, nous donneraient plus d énergie que notre besoin ne le demande : dans ce contexte, la technologie des panneaux photovoltaïques organiques aurait des chances de devenir une solution à notre problème. Dans ce dossier, il sera plus que naturel et nécessaire de comparer cette technologie avec le photovoltaïque classique. Notre but sera de montrer comment le panneau photovoltaïque organique (PVO) pourrait dépasser les principales problématiques du photovoltaïque classique (PC). Nous évoquerons aussi dans quelles mesures le PVO apparaît comme étant une solution «verte». Cependant, ce système connaît des limites que nous exposerons. Enfin, nous expliquerons les pistes de recherches actuelles pour résoudre ces problématiques. Montréal, le 9 décembre Delphine LAURENT, Giovanni ANGELINI, Jean-Baptiste LEPRETRE.

4 Chapitre 1 Présentation du photovoltaïque organique 1.1 Description du fonctionnement d une cellule photovoltaïque classique Les matériaux présents dans la nature sont principalement classifiés soit en isolants, soit en semi-conducteurs ou soit en métaux. La différence entre ces matériaux provient des différences de remplissage des bandes de conduction et de valence.(figure 1.1) Chacun de ces matériaux a ainsi des propriétés différentes lorsqu il reçoit des rayons de lumière : Métal : Lorsqu un photon interagit avec un électron dans un métal, il lui transfère intégralement son énergie, l électron s excite mais revient directement dans son état initial en transformant toute l énergie en chaleur. Isolant : Dans un isolant, la taille du gap exige que doit recevoir un photon avec une énergie minimale de 5eV pour qu il puisse s exciter jusqu à arriver à la bande de conduction. La longueur d onde doit être d au moins d au moins 250 nm. Ces matériaux n absorbent ainsi pas beaucoup de radiation. Semi-conducteur : pour une semi-conducteur, le GAP énergétique entre la bande de valence et celle de conduction est entre 0.5 et 2.0 ev. Il peut donc absorber une tranche significatif du spectre solaire. La présence d un électron sur la bande de conduction et d un trou sur celle de valence peut être exploitée pour générer un courant. C est cette propriété qui est utilisée dans les cellules photovoltaïques non organiques. Fig. 1.1 Présentation schématique des niveaux d énergie dans différents types de matériaux

5 Chapitre 1. Présentation du photovoltaïque organique 5 Le silicium est le matériau le plus utilisé dans l industrie des semiconducteurs. Il est dopé de type p (par introduction d élément de phosphore) afin d obtenir la caractéristique accepteur, c est a dire qu il présente plusieurs trous dans le réseau cristallin et qu il est prêt à recevoir des électrons. Il peut être également dopé de type n (par introduction de bore) afin qu il devienne donneur d électrons. Lorsque le silicium dopé p est touché par la lumière, un électron se déplacent dans le silicium dopé n et on peut observer un courant. (voir figure 1.1) Cette jonction PN est donc à la base des cellule photovoltaïques non organiques. Fig. 1.2 Schéma simplifié d un panneau au silicium 1.2 Description du fonctionnement d une cellule photovoltaïque organique Les cellules photovoltaïques organiques sont des cellules photovoltaïques dont au moins une des couches actives est constituée de molécules organiques. (composé chimique renfermant au moins un atome de carbone lié à au moins un carbone d hydrogène) Ces cellules sont composées de semiconducteurs organiques : Un semiconducteur organique est un composé organique, sous la forme d un cristal ou d un polymère, qui montre des propriétés similaires aux semi-conducteurs inorganiques. Ces propriétés sont la conduction par les électrons et les trous, ainsi que la présence d une bande interdite. Généralement, les solides organiques sont isolants. Toutefois, dans les cristaux organiques formés par des molécules contenant des liens conjugués π, ou encore les polymères contenant des liens conjugués π, les électrons peuvent circuler librement dans les recouvrements de nuages d électrons π, ce qui permet la conduction d électricité. La liaison π est une liaison chimique covalente qui est créée entre deux atomes par recouvrement d orbitales. (C est à dire de nuage d électrons) Il y a deux types d orbitales frontières : Orbitale HOMO (highest occupied molecular orbital) : l orbitale moléculaire la plus haute en énergie occupée par au moins un électron. Orbitale LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) : l orbitale la plus basse en énergie non occupée par un électron. C est dans cette orbitale que peuvent se déplacer les électrons. On peut voir ainsi une similitude avec les semiconducteurs non-organiques : L orbitale HUMO correspond à la bande de valence et l orbitale LUMO à la bande de conduction. La différence

6 Chapitre 1. Présentation du photovoltaïque organique 6 entre HUMO et LUMO est ce qu on appelle la mesure d excitabilité de la molécule et correspond à une bande interdite. Ainsi, en résumé lorsqu un photon vient frapper un électron de l orbitale HUMO, il va s exciter pour atteindre l orbitale LUMO. On va avoir alors un électron et un noyau positif séparé que l on appellera excitons. Il s agita lors de diffuser ces excitons jusqu à emmener les électrons à une cathode tout en évitant une relaxation non radiative et une recombinaison des charges. (On voit ici les enjeux des cellules photovoltaïques organiques) Ce flux d électrons peut alors être exploiter. (voir figure récapitulative 1.3) Fig. 1.3 solaire organique. Principaux mécanismes mis en jeu lors de la conversion photovoltaïque dans une cellule 1.3 Structures générales des cellules photovoltaïques organiques. Bien qu il existe de nombreux types de cellules photovoltaïques organiques (comme nous le verrons dans la partie suivante), leur structure restent toujours très semblable au schéma 1.4. Fig. 1.4 Structure générale d une cellule solaire organique. Les éléments importants sont : Substrat : rigide (verre) ou flexible (polymère, métal). Elle sert à l encapsulation de la cellule. Anode transparente : généralement composée d oxyde d indium dopé à l étain mais il existe d autres possibilités (nanotubes de carbone, polymères conducteurs). Couche active : composée des semiconducteurs organiques. Lorsqu il s agit de petites molécules, elles sont déposées par évaporation sous vide. Pour des polymères (molécules plus grosses), elles sont ajouté par voie humide, notamment des techniques de jet d encre. Cathode : Elle est déposée par évaporation sous vide et est le plus souvent composée d aluminium.

7 Chapitre 1. Présentation du photovoltaïque organique Présentation des différents types de cellules photovoltaïques. Dans une cellule photovoltaïque organique, la partie photo-active peut être composée soit d un seul matériau ou bien d un couple accepteur-donneur : ce dernier type est de nos jours le plus performant et le plus étudié. Ce couple de matériaux peut être mélangé en une seule couche ou séparé en deux couches. Néanmoins, l épaisseur des cellules restent toujours de l ordre de 100 à 200 nm soit environ 1000 fois plus petites que l épaisseur des couches au silicium. Cette propriété est très intéressante car elle permet de fabriquer des cellules plus légère et également plus flexible Cellule à homojonction Ce sont les premières cellules étudiées dans les années 1950 par les américains Kearns et Calvin. Il s agit d une cellule dont la couche active n est composée que d un seul élément semi conducteurs organiques (le plus souvent un polymère). Ils étudièrent ainsi un système monocouche entre deux électrodes de verre et obtinrent une tension de 200mV. Dans les années 1970 des études sur la chlorofille ont amené Tang et Albrech à obtenir un rendement de l ordre de 0,01%, rendement qui sera amélioré en 2002 à 0,1%. Néanmoins, les champs électriques mis en jeu dans le semi- Fig. 1.5 Structure générale d une cellule solaire organique à homojonction. conducteur sont rarement suffisants pour séparer les excitons et diffuser les électrons à la cathode. Pour cette raison, ces cellules ne sont plus très étudiées actuellement Cellule à hétérojonction en structure bicouche Cette cellule ressemble aux cellules PN des semi-conducteurs classiques. La couche active est constituée d une couche de semiconducteur organique donneur superposé à une couche de semiconducteur organique accepteur. En effet, les semiconducteurs organiques peuvent être également dopé P et N tout comme les semiconducteurs classiques. La technique utilisée est d exposer le film de semi-conducteur organique à une vapeur d un oxydant ou d un réducteur, ce qui a pour effet d arracher ou d ajouter des électrons au film. Fig. 1.6 Structure générale d une cellule solaire organique à heterojonction en bicouche.

8 Chapitre 1. Présentation du photovoltaïque organique 8 Les couches de transport de charges séparées permettent de développer un champ électrique induit à l interface permettant une bonne dissociation des l excitons Cellule à hétérojonction en réseau interpénétré La couche active de cette cellule est composée cette fois-ci d un mélange de semiconducteur organique donneur et semiconducteur organique accepteur. On a plus deux couches séparées mais une seule solution. Fig. 1.7 Structure générale d une cellule solaire organique à heterojonction en réseau interpénétré. Ainsi, le fait que les deux semiconducteurs soit mélangés permet quelque soit l endroit où un exciton est photogénéré, il est susceptible de diffuser à une interface et se dissocier. Cela améliore d autant plus l efficacité de la cellule. 1.5 Matériaux utilisés actuellement pour les cellules photovoltaïques organiques Les semiconducteurs organiques de type p (donneurs d électrons) : Tétracène, Anthracène, Polythiophène, P3HT : poly(3-hexylthiophène), MDMO-PPV : poly[2-méthoxy-5-(3,7-diméthyloctyloxy)-1,4-phénylène-vinylène], MEH-PPV : poly[2-méthoxy-5-(2-éthyl-hexyloxy)-1,4-phénylène-vinylène], PEDOT : poly(3,4-éthylènedioxythiophène), PEDOT :PSS poly(3,4-éthylènedioxythiophène) : poly(styrène sulfonate) Et les semiconducteurs organiques de type n (accepteurs d électrons) : Fullerène, PCBM : [6,6]-phényl-C61-butyrate de méthyle, PCNEPV : poly[oxa-1,4-phénylène-(1-cyano-1,2-vinylène) : (2-méthoxy-5-(3,7-diméthyloctyloxy)- 1,4-phénylène)-1,2-(2-cyanovinylène)-1,4-phénylène], Polyfluorène, PSS : poly(styrène sulfonate),

9 Chapitre 2 Caractéristiques des panneaux photovoltaïques organiques A la différence de la cellule photovoltaïque classique, la cellule photovoltaïque organique ne se compose pas de silicium mais de polymères. Les deux types de cellules solaires se distinguent de par leurs propriétés mécaniques, leurs coûts de production et de fin de vie, leurs impacts sur l environnement et enfin de par leur durée de vie. 2.1 Une technologie innovante Flexibilité et apparence Alors que le silicium présent dans les cellules photovoltaïques classiques en fait un matériau rigide et opaque, les polymères des cellules photovoltaïques organiques les rendent flexibles et transparentes. Avec une épaisseur de 200 à 300 nanomètres, la technologie organique autorise en effet une bien plus grande souplesse de la matière que celle issue des filières traditionnelles, dont l ordre de grandeur est plutôt du micromètre voire du millimètre. Il est alors facile de les étaler sur de grandes surfaces en un film très fin. Il existe pour cela différentes méthodes. La méthode de spincoating par exemple permet un bon contrôle de l épaisseur en utilisant la viscosité. Une autre méthode est le dépôt par jet d encre qui permet une précision de +/- 15 µm, ce qui dans notre cas n est pas une bonne précision. De nombreuses méthodes existent ; nous ne les développerons toutefois pas dans cette étude. L anode constituée d oxyde indium-étain (ITO) sur un substrat de polymères est celle la plus courante lorsque l on souhaite réaliser des cellules flexibles. Cependant, les ressources en indium étant limitées, l ITO est coûteux et il est en plus fragile. On tente donc de trouver des alternatives. On peut par exemple remplacer l ITO par du polymère conducteur (PEDOT ou polyaniline - PANI) ou par des nanotubes de carbone transparents. La flexibilité de cette technologie vient aussi du fait que l angle de réception de la lumière n entre pas en compte. Ainsi, le système peut tout aussi bien fonctionner tôt le matin ou tard le soir, quand le ciel est nuageux ou lorsque la lumière est diffuse. Maintenant que nous avons présenté les cellules organiques, nous pouvons aisément en conclure qu elles sont bien plus légères que les cellules classiques, et cependant elles ne sont pas pour autant

10 Chapitre 2. Caractéristiques des panneaux photovoltaïques organiques 10 Fig. 2.1 Exemple de cellule photovoltaïque organique. plus fragiles ; bien au contraire. Une autre force potentielle des cellules photovoltaïque organiques est leur transparence. Cette propriété est possible grâce des anodes constituées d ITO ou de PANI Durée de vie Les semi-conducteurs organiques ont une durée de vie plus limitée que les semi-conducteurs classiques, en partie en raison du blanchiment des molécules émettant la lumière De nouvelles applications Les propriétés des cellules photovoltaïque organique permettraient d étendre l offre à des produits souples ou de conformations diverses, donnant accès à des marchés inaccessibles aux technologies classiques, notamment par leur intégration à des systèmes multifonctionnels. Ces matériaux étant solubles, on peut aussi les obtenir sous forme liquide (encre, peinture) et les imprimer sur des matériaux divers. On imagine par exemple des installations sur des emballages, des écrans flexibles, des téléphones cellulaires et ordinateurs portables ou même sur des fenêtres ayant peu d impacts sur l environnement... Contrairement au silicium, les polymères utilisés s avèrent dégradables et non polluants. De plus, leur production implique un faible coût financier et énergétique : leur impact environnemental est donc faible. Les cellules photovoltaïques organiques constituent donc une source d électricité solaire très prometteuse dans un contexte favorable au développement durable et à des prix défiants toute concurrence. L utilisation de cellules organiques dans les panneaux solaires permettrait de produire de l électricité solaire à des prix beaucoup plus compétitifs qu aujourd hui. Cela est dû aux faibles coûts de production des cellules photovoltaïques organiques, par rapport à ceux des cellules à base de silicium. En effet, alors que ces dernières sont produites dans des infrastructures nécessitant un capital de plusieurs milliards de dollars (de très hautes températures sont nécessaires à la fabrication du silicium), les premières peuvent être produites avec relativement peu de moyen. Ceci

11 Chapitre 2. Caractéristiques des panneaux photovoltaïques organiques 11 grâce à la facilité de production des cellules organiques qui utilise des machines de type machines à impression. On peut observer ces différences sur la figure 2. Elle représente le rendement des cellules photovoltaïques en fonction de leur coût en dollars américains par mètre carré ; le coût d achat étant lié au coût de production. Fig. 2.2 Rendements et estimation des coûts pour les premières, deuxième et troisième génération de la technologie photovoltaïque. On peut observer les trois générations de technologie photovoltaïque sur la figure 2.2. La première génération, en vert, est celle des cellules basées sur une seule jonction P-N, qui utilisent généralement le silicium sous forme cristalline comme matériau semi-conduction. La méthode de production basée sur les wafers de silicium est très énergivore et donc très chère. La zone jaune quant-à-elle représente la seconde génération : les couches minces. La couche de semi conducteur est alors directement déposée sur un substrat et la production est moins coûteuse que la première. Enfin, la troisième génération est située dans la zone rouge. Cette génération prend en compte deux classes de technologies photovoltaïques : celle qui vise à passer la limite maximale de rendement des cellules actuelles (IIIa) et celle des cellules organiques (IIIb).

12 Chapitre 3 Rendement, limites de l efficacité et voies de recherche Cette troisième partie a pour objectif de comparer les rendements énergétiques des différents types de panneaux solaires actuels, de comprendre quelles sont les limites à ces rendements dans le cas des panneaux organiques et quelles sont les voies de recherche pour repousser ces barrières. 3.1 Comparaison des rendements des différentes technologies des panneaux photovoltaïques Définition du rendement des panneaux solaires Il et important de bien définir les rendements des panneaux solaires pour pouvoir les comparer par la suite. En réalité, nous pouvons définir plusieurs rendements pour les panneaux solaires : Tout d abord, au niveau atomique, le rendement quantique externe (EQE) : EQE = Nombre d electrons circulant dans le circuit externe N ombre de photons incidents (3.1) Il s agit d un point de vue quantique mais ce n est pas le rendement le plus important au niveau énergétique. Il dépend surtout des matériaux utilisés. Il est de l ordre de 30 à 40 %. Rendement de conversion en puissance d une cellule photovoltaïque : P uissance electrique maximale delivree par la cellule η = (3.2) P uissance lumineuse incidente Il s agit vraiment du rendement utile pour comparer les différents types de technologies de panneaux solaires. Néanmoins, il n a de signification que pour une distribution spectrale et une intensité donnée. Rendement des panneaux solaires : η panneau = P uissance electrique en sortie du panneau solaire P uissance lumineuse incidente sur le panneau (3.3) La puissance des panneaux n est pas tout à fait égale à la somme des puissances de toutes les cellules. Il y a en effet des pertes électriques dans le panneau. Ces pertes sont sensiblement équivalente pour tous types de panneaux solaires photovoltaïque ou non. Ce rendement est autour de η panneau = 0, 98η.

13 Chapitre 3. Rendement, limites de l efficacité et voies de recherche 13 Rendement total en sortie : η total = P uissance electrique f ournie P uissance lumineuse incidente sur le panneau (3.4) L énergie électrique en sortie des panneaux est sous forme de courant continu. Pour pouvoir être utilisé, il est nécessaire d utiliser un onduleur. Il y a néanmoins des pertes dans ce type de conversion. On a au final η total = 0.95η panneau. Maintenant que nous avons établit les différents rendements présentés, nous allons commencé par faire une présentation des rendements actuels des panneaux solaires suivants leur technologie et voir ainsi où en est le photovoltaïque organique face à ces concurrents inorganiques. Nous utiliserons pour cela le rendement de conversion en puissance d une cellule photovoltaïque Comparaison des rendements actuels Nous allons commencer par présenter les rendements de conversion en puissance des cellules solaires inorganiques : Cellule en silicium amorphe : Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. Elle donne des rendements faibles de l ordre de 5%. Il y a peu Cellule en silicium monocristallin : Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules et que l on appelle wafer. Elle donne des rendements entre 14 et 16%. Ces panneaux sont efficaces mais couteux et difficile à fabriquer. Il y a de nombreuses pistes de recherche à leu sujet. Ainsi, la taille des wafers croit régulièrement, ce qui diminue le nombre de manipulations. On cherche également à mieux valoriser toutes les longueurs d onde du spectre solaire (dont l infra-rouge, ce qui ouvrirait des perspectives très intéressantes : transformation directe de la lumière d une flamme en électricité, rafraichissement). Il existe en plus de nombreux fabricants ce qui permet d abaisser néanmoins les coûts d achat. L objectif est d atteindre les 25% de rendement en Cellule en silicium multicristallin : Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. Cette cellule est plus facile à fabriquer que les cellules monocristallines mais elle affichent un rendement moins bon (de l ordre de 10 à 12%). Il y a également de nombreuses recherches sur ce sujet avec notamment un projet d association de silicium amorphe et cristallin par «hétérojonction». l objectif est d atteindre les 20% en 2020 toit en gardant une certaine facilité de production. Cellule Tandem : Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines. Du fait que c est cellules sont sensibles sur une large plage de longueur d onde et donc un excellent

14 Chapitre 3. Rendement, limites de l efficacité et voies de recherche 14 Fig. 3.1 Une cellule photovoltaïque à base de silicium multicristallin rendement. (autour des 30%) Elles restent néanmoins au stade de la recherche à cause du coût élevé dû à la superposition de deux cellules. Cellule multi-jonction : Ces cellules ayant une grande efficacité ont été développées pour des applications spatiales. Il s agit d une cellule triple jonction, par exemple, et constituée de semi-conducteurs tels que le GaAs, Ge et GaInP2. Chaque type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d onde maximale au-delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergie électrique (cf. bande interdite). Les dispositifs à multijonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. L entreprise Spectrolab a ainsi obtenu 40,7% d efficacité (en déc. 2006), et un consortium (dirigé par des chercheurs de l université du Delaware) a obtenu un rendement de 42,8% (en sept. 2007). Il s agit d un record mondial. Néanmoins, ces technologies sont très conteuses notamment par les matériaux utilisés (En 2007, la production annuelle mondiale de gallium était de 55 tonnes) Maintenant que nous avons présenté les rendements des panneaux photovoltaïques inorganiques, il s agit désormais d étudier les rendements actuels des panneaux photovoltaïques organiques. Nous avons vu qu il existait plusieurs technologies de cellules photovoltaïques inorganiques : Cellule à homojonction : Cette technologie, utilisant qu un seul type de matériau organique apparaît en réalité peu efficace. On a des rendement de l ordre de 1% au maximum. Il apparait difficile en effet de séparer efficacement les excitons. Il y a désormais peu de recherche sur ce type de cellule. Cellule à hétérojonction : Afin d améliorer la séparation des excitons, on utilise une couche active constituée d un matériau organique donneur et d un matériau organique accepteur. Ces couches peuvent être soit séparée, soit mélangée comme nous avons pu le voir. On utilise la plupart du temps des polymères. Ces cellules sont en phase de développement et de recherche mais le record est sans doute actuellement détenu par une équipe du profeseur Reyes au Center for Nanotechnology and Molecular Materials aux États-Unis qui a atteint un rendement de 4.9%. Ce rendement a été atteint avec un mélange de P3HT (poly(3-hexylthiophène,), polymère semiconducteur de type p) et de de PCBM ([6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle, un semiconducteur organique de type n). Leur innovation tient dans le fait qu ils ont traité les matériaux en recuit pendant 5min à 155 C.

15 Chapitre 3. Rendement, limites de l efficacité et voies de recherche 15 Cellule Tandem : Elles sont basées sur le même principe que les cellules Tandem inorganiques : elles sont composées d un empilement de deux cellules photovoltaïques organiques simples. En combinant deux cellules absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on élargit le spectre absorbable de la lumière et on améliore ainsi le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes. Ainsi, il s agit d un voie de recherche importante : En juillet 2010, une équipe américaine de l American Institute of Physics à présenter une cellule tandem ayant un rendement de 3.7%. Elle est composé des couples de matériau : DCN7T( un dérivée de l oligothiophene, un semi conducteur organique de type p ) / PCBM et PEDOT ( poly(3,4-éthylènedioxythiophène), un polymère conducteur de type p) / PSS (poly (styrène sulfonate) de sodium (PSS), polymére de type n). (Voir figure 3.2) Cette équipe envisage d atteindre prochainement des rendement jusqu à 15% d après leur modèle. Fig. 3.2 Cellule photovoltaïque organique tandem présenté par l American Institute of Physics avec un rendement de 3.7% Récemment également, une équipe allemande des entreprises Heliatek et BASF et de l Institut de photovoltaïque appliquée (IAPP) de l Université technique de Dresde ont développé une cellule solaire tandem avec un rendement homologué de 5,9%. Il s agit d un nouveau record du monde. Néanmoins, les matériaux utilisés restent secret. Tous ces rendements (cellules organique ou non) sont évalués dans le cas de conditions environnementales parfaites. Néanmoins, il faut rajouter de nombreuses pertes propres à l environnement et semblables pour tous les types de panneaux : Pertes par ombrage partiel : l environnement d un module photovoltaïque peut inclure des arbres, montagnes, murs, bâtiments, etc. Il peut provoquer ainsi des ombrages sur le module ce qui affecte directement l énergie collectée. Pertes par ombrage total ( poussière ou saletés ) : leur dépôt occasionne une réduction du courant et de la tension produite par le générateur photovoltaïque.( 3-6%) Pertes de connexions : La connexion entre modules de puissance légèrement différentes occasionne un fonctionnement à puissance légèrement réduite. Elles augmentent avec le nombre de modules en série et en parallèle.( 3%) Pertes angulaires ou spectrales : Les modules photovoltaïques sont spectralement sélectifs, la variation du spectre solaire affecte le courant généré par ceux-ci. Les pertes angulaires augmentent avec l angle d incidence des rayons et le degré de saleté de la surface. Pertes par température : En général, les modules perdent 0,4 % par degré supérieur à sa température standard (25 C en conditions standard de mesures. La température d opération des modules dépend du rayonnement incident, de la température ambiante et de la vitesse du vent (5% à 14%).

16 Chapitre 3. Rendement, limites de l efficacité et voies de recherche 16 Fig. 3.3 panneaux solaires. Tableau récapitulatif des rendements maximales actuels des différentes technologies de 3.2 Causes des limites des cellules photovoltaïques organiques et voie de recherche Il s agit ici de présenter les causes des limites des cellules photovoltaïques organiques, notamment leur faible durée de vie et rendement. Nous présenterons également les voies d amélioration des performances Encapsulation La cause principale de la faible durée de vie des cellules organiques provient de la dégradation très rapide des matériaux utilisés (polymères et/ou électrodes) en présence de O 2 et H 2 O. En effet, l oxygène est une impureté qui agit comme un centre de recombinaison électron-trou. A l air libre, cette dégradation peut se faire en quelques heures. L encapsulation est donc nécessaire. L encapsulation idéale serait l utilisation du verre, néanmoins on perdrait à ce moment une caractéristiques primordiale : la flexibilité. Actuellement, les films plastiques commerciaux ne sont pas encore adaptés à ce type d utilisation et ils ont une perméabilité à O 2 et H 2 O encore trop importante. Actuellement, le matériaux le plus avancé pour l encapsulation des cellules photovoltaïque organique est le Poly(éthylène naphtalate) de la société montréalaise Novaplasma. Bien que ce soit un record, cette cellule affiche une durée de vie de 10000h environ ce qui reste néanmoins assez faible. Il y a ainsi de nombreuses recherches à développer sur ce sujet Morphologie On a vu que l un des enjeux dans les cellules photovoltaïques organiques est de séparer les excitons et de conduire les électrons jusqu à la cathode. Ainsi, une des limites de ce phénomènes est la perte d énergie dans le mélange par recombinaison électrons-trou. Ainsi, l amélioration du transport au sein du mélange améliore directement le rendement des cellules. Ce transport peut être améliorer en utilisant des polymères avec des chaines de plus en plus longues ou en choisissant des matériaux qui augmentent les champs électriques formés à l interface entre les donneurs P et les donneurs N. On peut également améliorer la morphologie de la couche active. La morphologie idéale aurait ainsi des domaines orientés perpendiculairement à l électrode et les

17 Chapitre 3. Rendement, limites de l efficacité et voies de recherche 17 donneur et accepteur seraient en contact avec exclusivement l anode et la cathode. (Cf Image 3.4) Fig. 3.4 Morphologie idéale de la cellule photovoltaïque organique Cette morphologie peut-être recréer avec les traitements sur les matériaux. Nous avons ainsi déjà parlé de la cellule à hétérojonction obtenue après recuit. Cette technique permet d approcher la morphologie idéale. Des voies de recherche visent également à utiliser les nanotubes pour recréer cette morphologie idéale. Cette nanostructuration de la couche active permettrait alors d améliorer la dissociation des excitons et le transport des charges Choix des matériaux Le choix des matériaux donneurs et receveurs est essentiel dans la performance de la cellule. Tout d abord, les matériaux choisis doivent présenter une forte absorbance afin de transformer un maximum de photons en électrons excités. Ces pour améliorer cette caractéristiques qu ont été développée les cellules photovoltaïques organiques tandem. Lors du choix des matériaux, il faut étudier les barrières d énergie à la jonction. Cette barrière doit être optimisée afin de créer un champ électrique le plus important permettant une bonne séparation des excitons. Il faudra ainsi pour cela diminuer la LUMO du donneur d électron et augmenter la LUMO de l accepteur d électrons. Il faut également choisir des matériaux qui donnent une mobilités des porteurs élevées afin d éviter les pertes dans la couche active. En effet cela joue directement sur la puissance en sortie puisque l on a : Il faut également prendre en compte le fait que cette mobilité dépend de la température. Ainsi, il ne faut pas que les rendements des panneaux varient beaucoup avec la température de l environnement. Ainsi, les matériaux doivent être les plus stables possibles à la lumière, l air, la température et les cycles d oxydation Cellule Grätzel Il s agit d un type de cellule photovoltaïque organique très spécifique et en voie de recherche. Son principe de fonctionnement s éloigne du fonctionnent classique des cellules photovoltaïques organiques. C est un système photoélectrochimique inspiré de la photosynthèse végétale et développé partir de 1991 par Michael Grätzel à l École polytechnique fédérale de Lausanne. Après

18 Chapitre 3. Rendement, limites de l efficacite et voies de recherche 18 absorption des photons par le colorant, des e lectrons sont injecte s dans la bande de conduction du T io2. Les nanoparticules de T io2 transfe rent ensuite les e lectrons a l e lectrode en TCO. La re action d oxydore duction du couple re dox I /3I comple te le circuit. Ces cellules ont un fort potentiel. En effet, elles ont atteint en laboratoire des rendements de 11% mais sont produites commercialement avec des rendements entre 3 a 5%. Ne anmoins, ce sont des produits qui restent difficiles a produire et donc tre s chers. Fig. 3.5 Fonctionnement d une cellule de Gra tzel Fig. 3.6 Rendement des diffe rents types de cellules photovoltaı ques

19 Conclusion S il est vrai que les panneaux photovoltaïques organiques diffèrent de par leur technologie des panneaux photovoltaïques classiques, élargissant ainsi le cercle d applications possibles, il est aussi vrai que cette technologie très récente est pour l instant très limitée niveau rendement. Comme dit précédemment, l un des défis du XXIe siècle est de parvenir à trouver des énergies durables, à faibles impacts sur l environnement et à faibles coûts. Or les cellules solaires organiques ont des caractéristiques potentielles qui diffèrent considérablement des classiques : elles peuvent par exemple être transparentes et flexibles. De plus, elles n ont que très peu d impacts sur l environnement. Ces nouvelles propriétés s expliquent par une constitution et donc un fonctionnement différent : les couches photo-actives sont constituées en partie de matières organiques. De plus, la production de cellules organiques engendre des coûts nettement inférieurs à ceux requis pour la fabrication des cellules en silicium. Toutefois, la technique photovoltaïque organique ne présente pas seulement des avantages : les cellules ont une durée de vie plus limitée que les cellules classiques et leur rendement est aussi bien plus faible, pour le moment. En effet, il existe déjà de nombreuses voies d amélioration des performances.

20 Bibliographie [1] Remy De Bettignies. Cellules photovoltaïques organiques dérivées de nouveaux systèmes conjugués. École d Angers, [2] Milano Bicocca. Production énergétique seulement avec photovoltaïque. Dipartimento di Scienza dei Materiali. [3] Dr. Peter Erk. Neuer weltrekord : Wirkungsgrad organischer solarzellen auf 5,9% erhöht. BASF, [4] Bernard Fontaine. La production photovoltaïque d électricité : quelles perspectives pour le pays provence verte? Garéoult, [5] Bernard Geffroy. Le photovoltaïque organique. CEA / École Polytechnique, [6] José Miguel Navarro. Cellules photovoltaïques organiques transparentes dans le visible. Université de Toulouse, [7] Dipl.Ing. Klaus Petritsch. Organic Solar Cell Architectures. PhD thesis, Technische Universit at Graz, [8] Riccardo Po, Roberto Fusco, Laura Meda, and Francesca Ferrazza. Le celle fotovoltaiche organiche e polimeriche : parte seconda - materiali e dispositivi. [9] Laurence Vignau. Les cellules photovoltaïques organiques. Laboratoire de l Intégration du Matériau au Système, [10] Bin Yin, Liying Yang, Yongsheng Liu, Yongsheng Chen, Qingjin Qi, Fengling Zhang, and Shougen Yin. Solution-processed bulk heterojunction organic solar cells based on an oligothiophene derivative. American Institute of Physics, 2010.