3.5.2 - Caractérisations photovoltaïques

Nous avons réalisé des mesures photovoltaïques de cellules DSSC avec le chromophore

[Ru]4 et deux électrolytes à base d’iode différents, dont un est l’électrolyte Z960, l’autre un

électrolyte commercial de Solaronix référencé AN-50, dont la composition est similaire (concentration du médiateur rédox à 50 mM, dans l’acétonitrile, en mélange avec un liquide ionique, un sel de lithium et un dérivé pyridine). La couche active du dispositif a été réalisée en trois dépôts. Les courbes J(V) sont représentées Figure II.48 et les paramètres photovoltaïques correspondants sont rapportés dans le Tableau II.49.

Figure II.48 Courbes J(V) sous illumination du chromophore [Ru]4 avec deux électrolytes différents à base d’iode

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 0,2 0,4 0,6 ε (L .m o l -1.cm -1) λ (nm) [Ru]4 - Z960 [Ru]4 - AN-50

Chromophore Electrolyte ^JSC

(mA.cm-²) ^{VOC (mV) FF (%)} η (%)

[Ru]4 Z960 2,54 596 72 1,09

[Ru]4 AN-50 2,24 560 71 0,89

N3 HI-30 14,1 654 72 6,66

Tableau II.49 Caractéristiques photovoltaïques du chromophore cible [Ru]4 en DSSC avec deux électrolytes différents à base du médiateur rédox I-/I3

-On observe dans un premier temps que les performances sont meilleures que celles obtenues lors des premières mesures effectuées avec les autres chromophores bimétalliques, notamment une meilleure densité de courant JSC et une tension VOC améliorée. Le profil des courbes correspond bien à un comportement photovoltaïque.

L’étude de plusieurs mesures consécutives n’a pas mis en évidence le même type de phénomène observé pour les autres chromophores présentés précédemment, l’évolution des paramètres étant seulement due à celle observée quand une cellule nouvellement fabriquée est optimisée par traitement sous la lampe du simulateur solaire. On observe néanmoins que le rendement de conversion photovoltaïque reste inférieur à ceux obtenus avec les chromophores étudiés dans notre groupe ou dans la littérature, un rendement maximal de 1,09 % ayant été obtenu avec l’électrolyte Z960. Ceci s’explique par la valeur peu élevée de la densité de courant JSC (2,54 mA.cm^-²) à cause d’une gamme d’absorption très restreinte (bande principale entre 300 nm et 500 nm) et un maximum d’absorption qui se situe à la limite du visible où le spectre lumineux est moins important.

Si on compare les valeurs obtenues avec chaque électrolyte, on peut noter une baisse du rendement de conversion qui atteint 0,89 %, dû à une diminution de la densité de courant JSC et de la tension VOC, lorsqu’on utilise l’électrolyte commercial AN-50. Cette efficacité plus faible pourrait être attribuée à la différence de concentration en médiateur rédox, plus élevée dans le cas de l’électrolyte commercial, et qui engendrerait plus de phénomènes de pertes de charges par recombinaisons, et donc la diminution de la tension VOC.^[31]

II.4 - Conclusion

Pour résumer, lors de ce travail de recherche nous avons synthétisé avec succès, caractérisé et testé en cellules solaires à colorant quatre nouveaux complexes organométalliques avec deux centres métalliques de type Ru-diacétylure.

Cette série de nouveaux chromophores a permis de mettre au point des voies de synthèse pour ce type de dérivés présentant deux centres métalliques et un motif central intermédiaire. Une étude des propriétés optiques de ces chromophores a montré que ce type de structure permettait d’obtenir des chromophores présentant une gamme d’absorption très large, à caractère panchromatique, grâce à la présence de plusieurs bandes d’absorption à de hautes valeurs de longueurs d’onde (pour les chromophores [Ru]1-[Ru]3), avec des coefficients d’extinction molaire élevés. Cette propriété d’absorption permet d’avoir accès à des dérivés à gap énergétique peu élevés et à une absorption dans le proche infrarouge. La caractérisation des propriétés électroniques a montré que les niveaux d’énergie des orbitales frontières HOMO et LUMO sont favorables pour une utilisation en cellule DSSC.

Les études photovoltaïques ont montré que les chromophores se greffent convenablement sur la couche de TiO2, conduisant à des couches actives absorbant fortement dans le visible. Malgré des propriétés optiques et électroniques très intéressantes et prometteuses, les performances ont atteint des valeurs beaucoup moins élevées qu’attendu, pour un maximum en mesure « initiale » de 0,80 % obtenu avec le chromophore [Ru]1. Plus étonnant encore, alors que les chromophores présentent des gammes d’absorption plus larges, et une absorption plus intense dans le cas de [Ru]3, le rendement maximum est de 0,48 % pour la

[Ru]3, dans des conditions similaires. Cela est dû à des valeurs de courant très peu élevées qui

témoignent d’un problème de régénération du colorant. Un phénomène inattendu qui se manifeste lors d’une série de mesures consécutives nous conforte dans cette idée. En effet après chaque mesure nous avons observé l’augmentation générale des caractéristiques, et par conséquent du rendement de conversion, qui s’accompagnait d’une modification de la couleur de la couche active. Nous ne pensons pas qu’il s’agisse d’une modification de la structure, car ce phénomène est réversible, et la cellule reprend ses caractéristiques initiales après un certain temps au repos. De plus ce phénomène serait plutôt dû à la structure en elle-même, car le phénomène est toujours présent, que ce soit avec un électrolyte à base d’iode ou de cobalt. Le chromophore [Ru]4 constitué d’un motif central bithiophène ne semble pas être affecté par ce

phénomène lors des mesures, ce qui peut laisser penser que ce phénomène serait lié au motif isoindigo.

Malgré des tentatives d’optimisation, notamment en testant des dispositifs avec différentes concentrations en additif ou co-adsorbant, différentes épaisseurs de couches actives ou encore différentes compositions d’électrolyte ou différents médiateurs rédox, il n’a pas été possible d’augmenter significativement la densité de courant JSC qui à chaque fois limite les performances.

Les données récoltées jusqu’à présent ne nous permettent pas pour l’instant de conclure sur une origine précise des valeurs si peu élevées des performances des chromophores [Ru]1 à

[Ru]3. Alors que pour le chromophore [Ru]4 cela serait plutôt dû à une gamme d’absorption

très restreinte dans une région peu intense du spectre solaire, pour les autres un phénomène photo-électrochimique semble être à l’origine de la mauvaise régénération du chromophore.

Malgré des performances photovoltaïques qui n’atteignent pas des valeurs attendues, les résultats sont encourageants en ce qui concerne l’accessibilité à des structures conjuguées plus longues avec un motif absorbeur de lumière intermédiaire et un second motif Ru-diacétylure en tant que relai d’électrons. Ces structures peuvent présenter une absorption panchromatique, intense dans le visible et peuvent être greffées convenablement sur une surface de TiO2 pour une utilisation en cellule solaire à colorant. Des études plus approfondies sur les dérivés à motif central isoindigo seraient intéressantes pour connaitre l’origine du phénomène observé et prévenir des comportements similaires. Ces résultats permettent d’envisager d’étudier de nouveaux chromophores organométalliques de ce type, en modifiant la nature du motif central absorbeur de lumière auxiliaire, et/ou des différents groupements des parties donneuses ou acceptrices d’électrons.