Le concept de base de ces cellules est de réaliser l’absorption des photons dans une couche ultramince afin de provoquer la formation de paires électrons-trous hors équilibre. Lorsque cette couche est placée entre deux phases adaptées, plutôt que de se recombiner avec dégagement de chaleur ou de luminescence, la paire électron-trou est dissociée, l’électron et le trou étant transférés dans les phases adjacentes en conservant une grande partie de la différence de potentiel entre les deux niveaux d’origine. Les phases adjacentes servent alors à transporter les charges vers les contacts extérieurs avec génération d’énergie électrique. Ce type de dispositif est fondamentalement différent des dispositifs photovoltaïques conventionnels à semi- conducteurs dans la mesure où il y a une séparation nette entre les fonctions
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d’absorption de la lumière et celles de transport, alors que dans les cellules à jonction PN, ces deux processus ont lieu au sein de la même phase. Les questions fondamentales se rapportent à la maîtrise des conditions de génération, de transfert puis de transport des porteurs photogénérés. Ces conditions vont dépendre des matériaux utilisés, de la qualité des interfaces et de données fondamentales comme les positions énergétiques interfaciales entre les différentes phases. Enfin, l’inconvénient de cette structure est que l’absorption de la lumière est très limitée du fait du caractère ultra mince de la phase absorbante. Une bonne efficacité nécessite donc d’augmenter la surface développée par cette phase de façon très importante, ce qui est réalisé dans les dispositifs réels en utilisant la surface développée interne d’un oxyde nanostructuré. Les cellules solaires à colorant sont constituées de trois éléments principaux (i) un matériau semi-conducteur à large bande interdite (TiO2, ZnO…) de grande surface
spécifique et chargé du transport des électrons; (ii) un colorant, présent sous forme d’une couche mono-moléculaire sur toute la surface du semi-conducteur, chargé de l’absorption des photons ; (iii) un électrolyte contenant un couple rédox et baignant le tout, chargé du transport des ions ; et bien-sûr une anode et une cathode.
Fig.2.5: Schéma descriptif du fonctionnement d’une cellule à colorant.
Un sensibilisateur est greffé à la surface d'un oxyde semi-conducteur sous la forme d'une couche mono-moléculaire. Il absorbe les rayons solaires incidents qui le promeuvent dans
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un état électroniquement excité, d'où il est à même d'injecter un électron dans la bande de conduction du dioxyde de titane. Les électrons ainsi injectés traversent la couche et sont ensuite recueillis par un collecteur de courant qui permet de les diriger vers un circuit externe où leur passage produit de l'énergie électrique. Le retour de l'électron dans la bande de conduction sur le colorant oxydé est beaucoup plus lent que la réduction par le médiateur en solution. De ce fait la séparation de charge est efficace. Le médiateur oxydé est réduit à la contre-électrode.
La tension maximale débitée correspond à la différence entre le potentiel d'oxydoréduction du médiateur et le niveau de Fermi du semi-conducteur. La charge positive est transférée du colorant à un médiateur (iodure) présent dans la solution qui baigne dans la cellule (interception). Ce médiateur, alors oxydé en tri-iodure, diffusé à travers la solution. Ainsi, le cycle des réactions redox est bouclé par transformation de l'énergie solaire absorbée en un courant électrique, sans changement de la composition d’aucune partie du système que ce soit.
20 Reference 2:
1. Gérald Senden; Guide pratique, Gestion de l’énergie dans les entreprises; Edi.pro 2008.
2. J. L. BOBN, E. HUFFER, H.NIFENECKER; Technique Environnement Économe, groupe de la société française de physique; Grenoble Sciences- Rencontres Scientifiques; EDP sciences 2005.
3. http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFque
4. Michel Wautelet, Sciences, Technologies et Sociétés; Questions et réponses; Éditions De Boeck 2005.
5. http://www2.energissimo.fr/energissimo.php?content=pv_hist.
6. Best cell energy efficiencies, National Renewable Energy Laboratory (NREL- USA); http://www.nrel.gov/
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_carrier_mobility
8. http://wiki.epfl.ch/houdre/documents/DispElec/chapitre%252011%2520d%25C3 %25A9tecteurs.pdf
9. Jean Louis coutaz; optoélectronique terahertz; 2008 édition EDP sciences
10. Francis Lévis, Traité des Matériaux, Physique et technologie des semi- conducteurs, Presses polytechnique et universitaires romandes 1995.
11. http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/mattthesis/chapter3.htm
12. http://ecee.colorado.edu/~bart/ecen3320/newbook/chapter3/ch3_2.htm 13. http://www.pfk.ff.vu.lt/lectures/funkc_dariniai/diod/schottky.htm 14. http://noxibay.com/solaire.html
15. Nathalie Rossier-Iten, Solid Hybrid dye sensitized solar cells: news organic materials, charge recombination and stability. Thèse EPFL, N°3456 (2006). Dir: Michael Grätzel.
16. B. O ' Regan, M. Grätzel, A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye- sensitized colloidal TiO2 films, Nature 353, 737-740 (1991).
21 Chapitre 3
Les matériaux carbonés
Le carbone est présent sur terre depuis la formation de celle-ci : il a été produit par nucléosynthèse (un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux atomiques, par fission ou fusion nucléaire) au cœur des étoiles qui ont explosé avant la formation du système solaire. Il est présent dans la nature sous deux formes allotropiques principales: le graphite (forme stable à température et pression ambiante) et le diamant, de structure cristalline tétraédrique, la forme stable à haute température et haute pression, métastable à température et pression ambiante.
3.1 Carbone :
Le carbone de symbole atomique C est l’atome qui tient la place principale dans le monde de la structure moléculaire des organismes vivants. [1]
Fort de quatre liaisons, sa tétravalence lui confère une propriété fondamentale, être à la base d’un squelette moléculaire stable. [2] Il existe plusieurs variétés de matériaux carbonés: les carbones amorphes; les diamants isolants/semi-conducteurs, les graphites métalliques/ semi- métalliques, graphène, [3], [4] les fullerènes conducteurs/ semi-conducteurs (C60), [5]-[6] les
nanotubes de carbone mono-parois et multi-parois. [7], [8], [9] Ces matériaux ont des propriétés physiques, chimiques et optoélectroniques très intéressantes et sont très prometteurs dans les applications pour la conversion et le stockage de l’énergie. [10] - [13]