Caractérisation des dispositifs

Figure III.9. Diagramme énergétique d’un empilement OPV en configuration inverse de structure ITO/TiOx/P3HT:PCBM/MoO3/Ag [33]

III.1.4. Caractérisation des dispositifs

Il existe deux moyens complémentaires d’évaluer l’efficacité des cellules photovoltaïques en général : la mesure de leur réponse en courant en fonction de la tension appliquée, et leur rendement quantique externe.

III.1.4.1. Courbes intensité-potentiel

Les cellules photovoltaïques sont des diodes et la réponse en courant (ou densité de courant) est mesurée en fonction de la tension appliquée aux bornes. Dans le noir, la caractéristique J-V correspond à celle d'une diode "classique" et sous éclairement elle est décalée vers les courants négatifs comme le montre la Figure III.10.

Plusieurs grandeurs caractéristiques peuvent être extraites de la courbe sous illumination, permettant ensuite de comparer les cellules entre elles selon diverses considérations (matériaux présents et leur technique de dépôt, taille de la surface active, type de substrat,…).

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Figure III.10. Courbes J-V typiques d’une cellule OPV, dans le noir (pointillés bleus) et sous un éclairement AM 1.5G (trait rouge), courbe de puissance surfacique en fonction de la tension (trait vert)

En polarisation négative, le champ électrique interne est prédominant. Puis lorsque la valeur absolue de la différence de potentiel diminue jusqu’à être nulle, il ne reste plus que le champ interne à la cellule et la densité de courant en ce point est appelée densité de courant de court-circuit (Jsc, exprimée en mA/cm²). Ce dernier représente la génération de charges en condition de court-circuit et doit être maximisé afin d’obtenir le plus haut rendement possible. Il est aussi intrinsèquement lié à l’efficacité de l'absorption des photons en amont. Passé ce point, la tension devient positive et les champs interne et externe sont désormais de direction opposée, ce qui provoque une diminution du champ résultant. Alors que la tension continue d’augmenter, la puissance surfacique générée (P = J x V) va passer par un maximum. Cette grandeur nommée Pmax représente la puissance maximale pouvant être générée par la cellule. Elle est associée à la densité de courant Jmax et la tension Vmax

délimitant le rectangle d'aire maximum entre la courbe J-V et l'axe des abscisses. Lorsque la tension augmente encore les champs interne et externe se compensent et le courant généré en devient nul : cela correspond au point de tension en circuit ouvert (Voc, exprimé en V). Dans le cas des cellules organiques, la valeur du Voc est principalement reliée à la différence d’énergie entre la HOMO du matériau donneur et la LUMO de l’accepteur, qui doit elle aussi être maximisée afin d’optimiser les performances de la cellule.

Au-delà de la tension Voc, le champ externe prend le dessus et la diode devient passante avec l'injection de porteurs majoritaires.

A partir des grandeurs qui viennent d’être définies, deux autres caractéristiques très importantes peuvent être calculées : le facteur de forme (FF, exprimé en %) et le rendement de conversion énergétique (η, également exprimé en %). Concernant le FF, il symbolise la facilité à extraire une charge après sa dissociation de l’exciton et peut également être considéré comme un facteur de qualité de la cellule. On l’obtient grâce à la relation (II.3). Il est compris entre 0,25 et 1, et il doit tendre vers la valeur maximale dans le but de se rapprocher du comportement d’une diode idéale.

FF = ^{𝐽𝑚𝑎𝑥}_𝐽 ^{.𝑉𝑚𝑎𝑥}

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Deux grandeurs vont particulièrement affecter ce facteur : la résistance série (Rs) et la résistance parallèle (Rp) représentées sur le schéma électrique équivalent d’une cellule OPV en fonctionnement en Figure III.11.

Figure III.11. Circuit électrique équivalent d’une cellule OPV éclairée [34]

D’une part la résistance série Rs comprend toutes les résistances rencontrées par les charges depuis leur dissociation jusqu’à leur collecte par les électrodes :

- La résistance intrinsèque des matériaux de la couche active - Les résistances de contact aux interfaces

- La résistance intrinsèque des matériaux constituant les électrodes et les possibles couches interfaciales

- La résistance liée à la mesure

En se basant sur la courbe J-V il est possible de remonter à la valeur de cette résistance, qui n’est autre que l’inverse de la pente à V = Voc et qui idéalement doit tendre vers zéro afin d’augmenter la valeur du facteur de forme et donc l’efficacité de la cellule :

Rs = (^𝑑𝑉_𝑑𝐽)

𝐽→0 (II.4)

D’autre part la résistance parallèle Rp compile les pertes de courant au sein du dispositif, qui ont diverses origines :

- Les fuites par les bords (et au travers) des cellules - Les fuites dans les couches

- Les recombinaisons

Toujours à partir de la courbe J-V, cette résistance peut être calculée comme l’inverse de la pente à V = 0 et doit tendre vers l’infini pour une performance optimale :

Rp = (^𝑑𝑉_𝑑𝐽)

𝑉→0 (II.5) Ces deux résistances s’expriment en Ω.cm².

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Sur le circuit électrique équivalent, la grandeur Jph correspond à la densité de photo-courant qui est ensuite redistribuée dans l’ensemble du circuit.

Par ailleurs le rendement η est défini comme le rapport entre la puissance maximale générée par la cellule et la puissance lumineuse incidente :

η = ^{𝐽𝑚𝑎𝑥}_𝑃^{.𝑉𝑚𝑎𝑥}

𝑖𝑛. = ^{𝐹𝐹.𝐽}_𝑃^{𝑠𝑐.𝑉𝑜𝑐}

𝑖𝑛 (II.6)

où Pin correspond à la puissance générée par la source utilisée pour reproduire le rayonnement AM 1.5 (simulateur solaire) à 1000 W.m^-2par convention, d’après la norme internationale ISO 9845-1 :9845-1992.

La courbe de puissance en cloche sur la Figure III.10 représente l’évolution de la puissance délivrée, correspondant au produit de la densité de courant par la tension, en fonction de la tension.

III.1.4.2. Rendement quantique externe

La deuxième technique de caractérisation des dispositifs consiste à quantifier le nombre de charges collectées par rapport au nombre de photons incidents, appelé rendement quantique externe (EQE en anglais pour « External Quantum Efficiency »). La couche active absorbe les photons dans une gamme de longueur d’onde (et donc d’énergie) bien définie, dont ce rendement va dépendre (il sera alors compris entre 0 et 100%, correspondant à la proportion de photons convertis). Un des facteurs les plus influents sur l’EQE sera le nombre de recombinaisons des charges, limitant alors leur collecte par les électrodes. Un exemple de courbe d’EQE est montré sur la Figure III.12, avec le signal carré qui représente le cas de l’idéalité où tous les photons incidents sont convertis en charges collectées.

Figure III.12. Exemple de courbe de rendement quantique externe pour une cellule OPV (cas idéal : tous les photons incidents sont convertis en charges collectées, trait rouge)

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En intégrant ce spectre sur l’ensemble des longueurs d’onde où il est représenté, il est possible de remonter à la valeur du courant de court-circuit Jsc défini juste avant. L’addition des charges générées par les photons sur la gamme d’énergies autorisée sera alors équivalente au courant maximal délivré. De plus ce rendement quantique externe prend en compte les autres couches traversées par les photons avant d’atteindre la couche active.