Différents types de cellules photovoltaïques

II.1. Cellules à base de silicium :

La famille de cellules à base de silicium représente la première génération de cellules photovoltaïques qui sont basées sur la présence d’une jonction p-n tels qu’un absorbeur de type p et un émetteur de type n. L’élément clé utilisé dans la structure de ces cellules est le silicium, qui joue le rôle d’un semi-conducteur [8]. Le silicium présente l’un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre. En effet, on distingue deux types de cellules à base de silicium : (1) les cellules en silicium monocristallin qui peuvent atteindre de bons rendements de conversion photovoltaïque proches de 25 % [9,10] et, (2) les cellules en silicium polycristallin ayant des rendements de l’ordre de 20 % [11]. Malgré le faible rendement de conversion de ces dernières, elles présentent l’avantage de la simplicité et le faible coût de fabrication par rapport aux cellules en silicium monocristallin. Cependant, le développement des deux familles reste limité vu leur coût élevé [12]. En plus, ces cellules présentent plusieurs inconvénients tels que l’absorption incomplète des photons ayant une énergie inférieure à la bande interdite de silicium de 1.12eV, et les pertes optiques résultantes des photons qui ne sont pas absorbés par le silicium. Une nouvelle génération alternative moins onéreuse mais de même nature que celle présentée précédemment est caractérisée par des couches minces d’une épaisseur qui varie entre 10 à 50 µm au lieu d’environ 200 µm. Généralement, ces couches sont déposées sur des substrats moins coûteux : verre, polymère ou métal. Ces cellules utilisent dans la plupart des cas les matériaux photo-actifs tels que le silicium amorphe (a-silicium), le tellure de cadmium (CdTe) et le CIGS (Cuivre Indium Gallium Sélénium) [8]. Malgré le faible coût de production de ces dispositifs, cette génération souffre de certains inconvénients tels que la complexité de fabrication et l’utilisation de matériaux toxiques. En plus, elle possède de faibles rendements (10-12%) comparant à la

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première génération. Par conséquent, le développement de nouveaux dispositifs peu onéreux et plus performants fut l’objectif de plusieurs recherches ce qui a conduit à l’apparition des cellules solaires hybrides. En fait, on distingue deux types de ces cellules : les cellules à colorants et les cellules hétérojonctions organiques/inorganiques.

La filière des cellules solaires à colorant (DSSC) exploite un matériau semi-conducteur dont le gap énergétique est large. Ce dernier est généralement le TiO2 (Eg=3.2eV) immergé dans un électrolyte liquide renfermant un couple redox (I^3-/I^-). Les particules de TiO2 sont en contact les unes avec les autres, en assurant la conduction des électrons jusqu’à l’électrode. Suite à une illumination, le colorant recouvrant la surface des nanocristaux de TiO2 absorbe les photons et passe de l’état fondamental à l’état excité afin d’injecter un électron dans la bande de conduction de TiO2 (figure II.1). Le couple redox permet de neutraliser le colorant oxydé, qui va être par la suite réduit à la contre-électrode. Il est à noter que dans la plupart des cas, la contre électrode est couverte de platine pour catalyser la réduction de l’électrolyte.

Figure II.1. Principe de fonctionnement d’une cellule solaire à colorant DSSC [94]

Toutefois, ces cellules présentent une faible efficacité par rapport aux cellules mentionnées précédemment de l’ordre de 11.2% en laboratoire. En outre, l’emploi d’un électrolyte liquide cause des problèmes de toxicité et d’étanchéité. En plus de ces cellules, on peut citer les cellules à hétérojonction organique/inorganique autrement entre un polymère conjugué (MEH-PPV, P3HT) et un semi-conducteur inorganique de type n (ZnO, CdSe, CdS, CdTe). Néanmoins, ces cellules souffrent de certains inconvénients comme la toxicité de certains semi-conducteurs inorganiques (CdSe) et une efficacité limitée [16-19]. De ce fait, le développement des cellules solaires à haut rendement a été motivé en priorité en remplaçant

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d’une part les sensibilisateurs à base du ruthénium par des colorants organiques et d’autre part l’électrolyte liquide par des matériaux solides.

II.2. Cellules solaires organiques :

Durant ces dernières années, une activité de recherche puissante qui vise les cellules organiques depuis leur apparition conduisant à des progrès considérables. Elle a développé donc différents types de cellules organiques notamment les cellules de Schottky, les cellules bicouches à hétérojonction planaire D/A et les cellules à hétérojonction volumique [20-24]. Les premières cellules de Shottky ont été réalisées à partir d’un semi-conducteur organique (SCO) inséré entre deux électrodes de métaux de travaux ayant des sorties différentes (Figure II.2). Afin de permettre le passage de la lumière, l’une de ces électrodes est métallique et l’autre est transparente. Les premiers exemples mentionnés durant les années 70 utilisent des molécules organiques tels que la phtalocyanine de magnésium, la chlorophylle A, et les méryocyanines. En effet, le mécanisme du fonctionnement de ces cellules consiste, en premier lieu, à l’absorption des photons par le colorant suite à une illumination, provoquant ainsi le passage du colorant à l’état excité en générant des excitons (paires électron/trou). Comme la durée de vie de ces derniers est très courte, ils peuvent se diffuser au sein du matériau en dissociant aux interfaces avec les électrodes générant ensuite un photo-courant (Figure II.3). Bien que ce type de cellules ait connu des progrès significatifs, le rendement de conversion reste très limité (environ 0.1%) à cause d’une faible dissociation de charges accompagnée des phénomènes parasitaires de recombinaison de charges [25].

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Figure II.3. Schéma d’une cellule Schottky

Ainsi, une activité considérable visée en 1986 lorsque Tang a rétabli le concept d’hétérojonction au sein de deux semi-conducteurs organiques, dont l’un est un matériau donneur d’électrons (D) qui assure le transport des trous « lacunes électroniques », et l’autre est un matériau accepteur d’électrons (A) qui permet le transport des électrons [26] (Figure II.4). Cette structure possède l’avantage d’augmenter le taux de dissociation des excitons, car le mécanisme de transfert de charge a lieu à l’interface de deux semi-conducteurs qui sont caractérisés par un aspect complémentaire donneur-accepteur [27].

Figure II.4. (Gauche) : cellule bicouche ; (droite) : Matériaux actifs utilisés dans la cellule de

Tang [27]

Le fonctionnement de ces cellules comporte dans une première étape l’absorption des photons par la première couche organique notamment dans la diode de Tang, le matériau donneur est le CuPc. Ensuite, l’énergie apportée doit être suffisante pour assurer une transition électronique entre les deux niveaux HOMO et LUMO du matériau donneur en produisant des excitons. L’étape suivante consiste à diffuser les électrons jusqu’à l’interface D/A suite à un

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transfert d’énergie, qui vont les dissocier sous forme de charges séparées. Pour cela, le niveau LUMO du matériau accepteur doit être en dessous de celui du donneur. L’électron est transféré par la suite au sein du matériau accepteur sous l’effet d’un champ électrique interne vers la cathode, et parallèlement la charge positive (le trou) migre vers l’anode. Enfin, les charges sont collectées en générant un courant électrique (Figures II.5, II-6).

Figure II.5. Diagramme énergétique représentant les deux mécanismes de génération de

charges au sein d’une hétérojonction D/A

Figure II.6. Principe de fonctionnement d’une cellule à hétérojonction D/A

Durant ces vingt dernières années, cette famille du photovoltaïque organique a commencé à susciter un regain d’intérêt notamment l’apparition des cellules photoélectrochimiques à colorant qui feront l’objet de la section suivante.