Bien que le principe de fonctionnement des OPVs soit l’inverse de celui des OLEDs, les différentes étapes de la conversion photovoltaïque dans les OPVs ressemblent à celles de l’électroluminescence. La formation des excitons, leurs types, leurs mécanismes de transport et leurs principes de désexcitation sont les mêmes. Les mécanismes qui se présentent à travers les barrières existantes aux différentes interfaces le sont également.
Beaucoup des lois exposées précédemment pour les OLEDs restent valables ici. Ainsi la description des parties communes est exposée brièvement.
La conversion photovoltaïque passe par les étapes principales suivantes (voir figure 15) : absorption des photons du rayonnement solaire incident par les couches organiques, et
génération d’excitons ;
diffusion des excitons et dissociation à l’interface donneur-accepteur ; transport des électrons et des trous dans les matériaux accepteur et donneur ; collecte des électrons à la cathode, et des trous à l’anode.
Verre ITO Cathode métallique θc couche(s) organique(s)
Figure 15. Illustration des mécanismes de la conversion photovoltaïque organique : (1) absorption du photon et création de l’exciton, (2) diffusion de l’exciton, (3) dissociation de l’exciton à l’interface donneur-
accepteur, (4) transport des charges dans les matériaux, (5) collecte des charges aux électrodes.
5.1. Absorption des photons et création d’excitons
La première étape du processus photovoltaïque est l’absorption du rayonnement lumineux. Les photons incidents susceptibles d’être absorbés par le semi‐conducteur doivent posséder une énergie au moins égale à la largeur de la bande interdite du matériau. Si cette condition est remplie, l’énergie apportée par l’excitation lumineuse va provoquer la transition d’un électron d’une orbitale moléculaire occupée de la bande de valence vers une orbitale inoccupée de la bande de conduction. Cette transition électronique s’accompagne de la création d’un trou dans la bande de valence, qui reste lié à l’électron de la bande de conduction pour former une paire de charges électriquement neutre appelé exciton. Ces excitons comme dans le cas des OLEDs sont des excitons de type Frenkel [CIS08].
5.2. La diffusion et la dissociation des excitons
Pour que l’exciton électriquement neutre produise un courant électrique, il doit être dissocié en porteurs de charges libres. Il doit donc diffuser vers des sites où cette dissociation est possible. Ces sites peuvent être une interface (organique‐organique ou organique‐métal
[BOU81]), une impureté ou un dopant présent dans le matériau [GAO95], ou encore le point de collision entre deux excitons [CHA83]. Il est démontré [HAL95, PEU03] que la dissociation des excitons est plus efficace à l’interface entre un matériau donneur d’électron avec un faible potentiel d’ionisation (IP) et un matériau accepteur d’électron avec une forte affinité
électronique (χA).
Ceci conduit à l’utilisation d’une structure bicouche constituée d’un matériau donneur et d’un matériau accepteur ; le tout est pris en sandwich entre deux électrodes dont l’une au moins est transparente. L’ITO est souvent utilisé comme anode transparente tandis que l’aluminium, l’argent, ou l’or sont souvent choisis comme cathode.
Cependant, le principal handicap de ces structures est que les excitons créés "loin" de la jonction donneur‐accepteur peuvent se recombiner avant d’arriver à cette interface. En général on évite cette situation en choisissant l’épaisseur maximale du film donneur (respectivement accepteur) de sorte qu’elle soit égale à la longueur de diffusion des excitons dans le matériau [HEU04]; ainsi, tous les excitons créés peuvent arriver à l’interface donneur‐ accepteur et se dissocier en charges libres. Cependant, comme la longueur de diffusion des excitons dans les matériaux organiques est faible (15 à 20nm), les épaisseurs des films utilisés le sont également. Pour que la densité des excitons générés dans les matériaux soit suffisamment grande, les films organiques utilisés doivent donc être en mesure d'absorber une importante quantité de lumière sur une faible épaisseur.
Une fois l’exciton arrivé à la jonction donneur‐accepteur, il peut être dissocié si son énergie satisfait la relation :
(2.18)
où IpD est le potentiel d’ionisation du matériau donneur et χA est l’affinité électronique du matériau
Dans ces conditions, la position des niveaux d’énergie à l’interface donneur‐accepteur est d’autant plus favorable pour la dissociation des excitons que le potentiel d’ionisation du donneur est faible et l’affinité électronique de l’accepteur est élevée.
Notons toutefois que ce transfert de charges peut créer des dipôles à l’interface donneur‐ accepteur [ISH98]. Ceux‐ci modifient la position des niveaux d’énergie [VAN01], ce qui peut rendre moins efficace la dissociation des autres excitons. Les dipôles peuvent également être générés par une densité d’impuretés élevée à la jonction donneur‐accepteur [HIL00], d’où la nécessité d’utiliser des matériaux organiques d’une grande pureté.
Lorsque l’exciton est dissocié en charges libres, le trou est transporté dans le matériau donneur puis collecté à l’anode, tandis que l’électron est transporté dans le matériau accepteur puis collecté à la cathode.
5.3. Transport des charges libres dans les semi-conducteurs
organiques
La mobilité des charges constitue un paramètre fondamental pour la performance des photopiles organiques. Puisque sa valeur est faible, les porteurs de charges générés peuvent facilement être piégés dans les matériaux ou se recombiner à l’interface donneur‐accepteur, ce qui réduit l’efficacité de la conversion. Pour améliorer le rendement de conversion, il est donc nécessaire d’augmenter la valeur de ce paramètre. Pour cela différentes stratégies ont été mises en œuvre, qui tendent toutes à réduire le désordre moléculaire et qui peuvent être un traitement thermique du matériau [YAN05], un meilleur contrôle du processus de dépôt des matériaux [CHE99], une organisation des molécules [CRA99], ou encore la purification des matériaux [JUR04].
5.4. Paramètres caractéristiques des cellules photovoltaïques
Dans cette partie, nous présentons les paramètres caractéristiques qui permettent de calculer le rendement de conversion des cellules photovoltaïques.
Les tracés de la caractéristique courant‐tension I(V) d’une cellule photovoltaïque dans l’obscurité et sous éclairement sont présentés sur la figure 16. L’analyse de la caractéristique sous éclairement permet de définir les paramètres fondamentaux des composants.
Figure 16 Caractéristiques courant-tension d’une cellule photovoltaïque dans l’obscurité et sous éclairement.
Lorsqu’on relie les deux bornes de la cellule par une charge d’impédance nulle, un courant électrique Icc dit courant de court‐circuit circule dans le circuit. Dans le cas idéal, Icc représente
le courant maximal que peut débiter la photopile. Il est directement proportionnel au courant photo‐généré Iph. et dépend donc de l’intensité du flux lumineux incident, du coefficient
d’absorption du matériau donneur, de la longueur d’onde du rayonnement incident, de la surface éclairée, de la longueur de diffusion des excitons, de la mobilité des porteurs de charge et de la température.
Lorsque la cellule est en circuit ouvert, les charges accumulées à ses bornes induisent une différence de potentiel Vco dite tension en circuit ouvert. Cette tension Vco représente la
tension maximale qui peut apparaître aux bornes de la cellule. Elle est limitée par la tension de bandes plates ( ) telle que ( ). En d'autres termes, ( ), où est dite "tension interne générée".
Si nous considérons la configuration dans laquelle la cellule est reliée à une charge d’impédance finie mais non nulle, le courant débité par la photopile tout comme la tension disponible à ses bornes sont inférieures, respectivement, à Icc et à Vco. La puissance électrique
maximale Pm que peut délivrer la photopile est disponible lorsqu’on se place à un point de
fonctionnement optimal (Im, Vm). Cette puissance donnée par Pm = Im× Vm est inférieure à la
puissance maximale dans le cas idéal donnée par PM = Icc× Vco.
On définit alors le facteur de forme (ou fill factor) comme étant le rapport de la puissance maximale disponible sur la puissance maximale dans le cas idéal. Son expression est donnée par la relation suivante :
(2.19)
Le facteur de forme constitue avec le courant de court‐circuit Icc et la tension en circuit
ouvert Vco les paramètres caractéristiques permettant de mesurer la performance d’une
cellule photovoltaïque. Pour améliorer les performances d’une cellule photovoltaïque il faut rechercher une augmentation de et ; par conséquent, augmenter car cette tension est la valeur maximale que peut atteindre .