Faculté Polytechnique Élaboration et caractérisation de cellules photovoltaïques de troisième génération à colorant (DSSC) Prof. André DECROLY Dr Abdoul Fatah KANTA andre.decroly@umons.ac.be Service de Science des Matériaux
3 générations de cellules PV 1 e génération: Silicium mono- ou polycristallin ou en ruban; jonction p-n) 2 e génération: Films minces(divers matériaux; hétéro-jonctions) 3 e génération: cellules organiques; DSSC (ou «de Grätzel») basée sur le TiO 2 (ou autre oxyde) nanoporeux: cellules de type«électrochimiques». Université de Mons 2
Principe de fonctionnement des DSSC Université de Mons 3
Principe de fonctionnement des DSSC Incident Photon-to-current Conversion Efficiency(IPCE) J sc = densité de photocourant de court-circuit sous irradiation monochromatique; λ=longueurd onde; Φ = densité de rayonnement monochromatique. Visible 4
Principe de fonctionnement des DSSC Incident Photon-to-current Conversion Efficiency(IPCE) Visible 5
Principe de fonctionnement des d3 DSSC Sensibilisateur (monocouche de colorant) TiO 2 mésoporeux nanocristallin Verre conducteur (anode) Électrolyte liquide ou (quasi-)solide Verre conducteur (cathode) LUMO BV Niveau de Fermi Tension maximale V oc hν BV BC Réd. HOMO Ox. U rédox Réd. Ox. 6
Diapositive 6 d3 HOMO = orbitales d du Ru LUMO = orbitales pi anti-liantes du ligand BC = orbitales d inoccupées du Ti decrolya; 19/02/2010
Principe de fonctionnement des DSSC 7
Caractéristiques requises Sensibilisateur(colorant) Doitêtreisolantàl étatfondamental(darkcurrent 0); Doitpouvoirabsorbertouslesrayonnementssous920nm; DoitcomporterdesgroupementspermettantlegreffagesurTiO 2 ; À l état excité, doit pouvoir injecter des électrons dans le TiO 2 avec unrendementquantique 1(duréedeviedel étatexcité>>temps detransfertverstio 2 ); Le niveau énergétique de l état excité (LUMO) doit être juste supérieuràlalimitebassedelabcdutio 2 ; Son potentiel rédox doit être suffisamment élevé que pour pouvoir être régénéré(réduit) par le médiateur; Doitpouvoirrésisterà20ansd expositionsolaire(~10 8 cycles) stabilité thermique et chimique. 8
Caractéristiques requises Oxyde semi-conducteur surface spécifique très élevée; épaisseur et porosité contrôlées; mobilité électronique élevée(point faible!); très bonne adhérence sur électrodes(acier, TCO); contact«ohmique»; stable sous rayonnement et chimiquement; peuonéreux,nontoxiqueet«écologique». 9
Caractéristiques requises Oxyde semi-conducteur Anatase nanocristalline mésoporeuse Bandgap:3,13eV Épaisseur: 5-20 µm Masse:10-40g/m 2 Porosité:50-65% < pore>:15nm Frittage 10
Caractéristiques requises Oxyde semi-conducteur PHOTOCEL ULg(LCIS) UMons(FPMs) 11
Caractéristiques requises Oxyde semi-conducteur Nanofils de ZnO NANOROD ULg (LCIS) UCL it4ip UMons(FPMs) 12
Caractéristiques requises Oxyde semi-conducteur NanotubesdeTiO 2 MADSCELLS(?) UMons(FS + FPMs) 13
Caractéristiques requises Solution électrolytique Idéalement solide(facilité de construction, pas de problème de scellement, pas d évaporation) matrice polymère + médiateur; Contact intime avec le sensibilisateur; Réaction(rédox) rapide avec le sensibilisateur; Résistance de transfert de charge(avec CE) minimale; Stabilité thermique et chimique; Diffusiondesporteursdecharge(holesouions)rapide; Insensibilité aux impuretés et traces d eau. 14
Caractéristiques requises Électrodes Élaboration et caractérisation de cellules photovoltaïques de troisième génération à colorant (DSSC) Conductrices(résistance de feuille minimale); Résistance de transfert de charge minimale (catalyseur : 100 nmpt,soit 5 µg/cm 2 ); Absorption et réflexion minimales de la lumière (front), réflexion maximale(back); Si possible flexible(plastique conducteur(front); acier(back)) 15
Spectroscopie d impédance électrochimique(eis) EIS = mesure d impédance détermination des paramètres électrochimiques, via un schéma électrique équivalent Perturbation en tension : ΔE= ΔE sin(ωt) où ΔE= 10 mv mesure de la réponse en courant : ΔI= ΔI sin(ωt-ϕ) E, I 1 I E 0 π-ϕ π 2π-ϕ 2π -1 π 2π ωt 16
Spectroscopie d impédance électrochimique(eis) Calcul de l impédance Z= ΔE/ ΔI= Z(ω) = Z re + j.z im (de 100 khz à 10 mhz) Partie imaginaire Z im φ Z re [Z] Partie réelle E 2 Z = = Z Re + Z II et ϕ = arctg Z Z Im Re 2 Im Éléments Z re Z im Phase [ ] Résistance R 0 0 Capacité 0 j/ωc 90 17
Spectroscopie d impédance électrochimique(eis) Électrode de travail : échantillon à analyser (verre conducteur FTO +TiO 2 ) Contre-électrode : verre conducteur (FTO + C graphite ) Électrolyte : KI 0,1M / I 2 0,01M (EG) 18
Spectroscopie d impédance électrochimique(eis) Anode Électrolyte Cathode Électrolyte Cathode Anode TiO 2 + colorant TiO 2 + colorant Recomb. e - - trou 19
Avantages et inconvénients des DSSC Thegood Coûtréduit; Non toxique et sans impact environnemental; Bonnesensibilitéàlalumièrediffuse; Faible sensibilité à l augmentation de température; Possibilité de coloration(esthétique); Possibilité de création de vitres PV. Thebad Rendementdeconversionassezmoyen(<12%enlabo); Maintien d un électrolyte liquide à long terme; Stabilitédelacelluleàlongterme? 20
Merci pour votre attention 21