Effet du temps du recuit thermique sur les performances des cellules

De la même manière que précédemment, nous allons étudier l’influence du temps de recuit sur l’amélioration des performances des cellules pour une concentration en solution de 40mg/ml.

 Caractéristiques J(V)

Figure II.18. Caractéristiques J = f(V) des cellules à base des 4 P3HTs ayant subi un recuit thermique post élaboration à 110°C /10min (a) et 110°C/30 min (b) pour une concentration de

40mg/ml.

Les paramètres photovoltaïques issus des caractéristiques J (V) confirment l’effet du temps de recuit sur l’amélioration des performances des cellules. Des rendements de conversion comparables ont été obtenus pour les BA01, BA02 et AL02 au bout des dix premières minutes, sauf pour le AL01qui n’a permis qu’un faible rendement . L’allongement du temps de recuit jusqu’à 30 min, était efficace pour le AL02 et BA02 puisqu’il a conduit à un accroissement de la densité de courant et la tension de circuit ouvert, faisant passer le rendement de 3,49 jusqu’à 3,95 % pour le AL02 et de 3,47 jusqu’à 3,65 % pour le BA02. Par

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contre pour les BA01 et AL01, leurs rendements ont chuté d’une manière significative passant de 3,36 jusqu’à 2,91% et de 1,81 jusqu’à 1,30% respectivement, cela indique clairement l’utilisation des temps de recuit faibles de l’ordre de 10min afin de permettre une bonne morphologie pour ces deux derniers polymères.

 Spectroscopie UV-Visible

L’effet du temps de recuit se manifeste sur les spectres d’absorption UV-visible des couches actives déposées à partir d’une concentration de 40mg/ml et recuites à 110°C pendant 30 minutes.

Figure II.19. Spectre d’absorption des couches actives P3HT:PCBM élaborées à partir des quatre P3HT, pour une concentration en phase liquide de 40mg/ml dans le chlorobenzène (CB), après recuit thermique à 110°C pendant 30 min.

Les spectres UV-visibles pour une concentration de 40mg/ml de la Figure II.19, sont relativement semblables aux spectres de la Figure II.15 (concentration en phase liquide de 50 mg/ml). Cette fois ci, la couche élaborée à partir de l’AL02 montre un spectre mieux défini que celui du BA02. Le pic à 600 nm est aussi plus intense et plus défini que pour les autres P3HT. Ceci peut s’expliquer par l’obtention d’une structuration optimale pour ce polymère après le recuit à 110°C pendant 30min en accord avec les conclusions de Neher concernant

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l’influence de la masse moléculaire sur les conditions de structuration des couches actives [31], et en accord avec nos observations précédentes.

 Spectroscopie de photo-courant

De plus les spectres d’efficacité quantique externe (IPCE) ont apporté plus de confirmation sur l’effet du temps de recuit sur les performances des cellules voire figure ci-dessous

Figure II.20. Spectres d’IPCE des cellules à base des quatre P3HTs recuites à 110°C/10min (a) et 110°C/30min (b), pour une concentration en solution de 40mg/ml.

Une nette différence est apparue entre les spectres d’IPCE, enregistrés pour les deux temps de recuit appliqués. Pour un temps de recuit de 10min, les maximum d’efficacité quantiques externes des trois P3HT : AL02, BA02 et BA01 sont sensiblement identiques et de l’ordre de 58% sur une gamme d’absorption allant de 450 jusqu’à 660nm. Le maximum du spectre IPCE est seulement à près de 49% pour le polymère AL01 à 550nm. Lorsqu’on a fait augmenter le temps de recuit à 30min, l’efficacité spectrale a augmenté jusqu’à 60 % pour le cas de l’AL02 et BA02 conformément aux performances mesurées en cellules. Les maximum d’efficacité se situent sur une gamme spectrale allant de 400 nm jusqu’à 670 nm pour le AL02, et de 400 nm jusqu’à 560nm pour le BA02 ce qui explique la plus grande quantité des photons absorbée par le polymère AL02, comparée à celle du BA02 pour un temps de 30min. Le rendement quantique externe diminue à environ 47 % pour le BA01 et 42 % pour l’AL01.

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Les résultats obtenus montrent que les performances des cellules sont relativement meilleures pour des durées de recuit longues et à des températures faibles de l’ordre de 110°C. Le polymère AL02 a montré des performances maximales à une température de recuit de 110°C au bout d’une durée de 30 min. On peut confirmer donc que lorsque les recuits sont faits à des températures supérieures à 110 °C (exemple:130°C, 150°C), il faut réduire la durée de recuit, afin d’éviter la dégradation des cellules.

Il convient cependant de noter que le recuit thermique et le temps de recuit ont un effet positif sur le rendement des cellules, jusqu’à une certaine limite. Cette limite est fonction de la masse molaire du polymère et de sa régiorégularité.

En effet, l’expérience nous a montré que la qualité du matériau en terme pureté, de masse molaire, de régiorégularité, …) pouvait varier d’un fabricant à l’autre et pour un même fabricant la qualité variait d’un lot au suivant.

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Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudiés l’influence de la régiorégularité et la masse moléculaire des quatre polymères que nous disposons sur les performances des cellules solaires. Nous avons aussi optimisé les paramètres suivants : le rapport massique du mélange P3HT-PCBM, la concentration des matériaux en solution, la température et la durée du recuit pour valider le Protocol d’élaboration des cellules.

Sur la base des résultats obtenues, on peut conclure que :

1. les cellules solaires à base des P3HTs : AL02 et BA02 les plus régioréguliers ont permis de meilleures performances par rapport aux P3HTs les moins régioréguliers : AL01 et

BA01. Ce résultatmontre clairement l’influence importante de la régiorégularité du P3HT

sur les performances photovoltaïques des cellules. En effet, un fort taux de régiorégularité conduit à un très grand ordre moléculaire et un très bon arrangement des chaînes entre elles qui conduit à un transport des charges et une absorption accrus [4, 34]. Inversement et dans le cas de P3HTs présentant un faible taux de régiorégularité, les chaines ne s’empilent pas dans des structures lamellaires, à cause de la non-périodicité des enchaînements, ce qui limite les interactions interchaînes et affecte énormément le transport des charges dans le matériau [35].

2. Le polymère AL01 a permis de faibles performances à cause de sa double distribution massique qui entraine une réduction de la longueur de conjugaison et par conséquent une diminution de la longueur d’onde d’absorption.

3. La masse moléculaire et le taux de régirégularité n’ont pas influencé le rapport massique optimal polymère-fullerène, tout au moins dans la gamme de masses moléculaires explorée.

La disparité des résultats recueillis dans la littérature ne permet pas de prévoir la composition optimale du ratio du mélange P3HT:PCBM. En effet, on trouve dans la littérature des cellules optimisées dont la couche active contient entre 33% et 70% en masse de P3HT [36]. A partir du diagramme de phases du mélange P3HT / PC60BM,

Müller et col ont établi que le système idéal devait théoriquement contenir entre 45 et 65% en masse de P3HT [37].

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4. Le recuit thermique permet dans tous les cas d’améliorer la morphologie de la couche active avec une meilleure cristallisation des deux constituants et la formation d’un réseau de fibrilles de P3HT interconnectées. Cette nano-structuration a pour effet une augmentation significative du courant de court-circuit et donc du rendement des cellules. Les paramètres à utiliser sont très dépendants des propriétés physico-chimiques du polymère utilisé. Des chaines plus courtes nécessitent un recuit thermique à plus haute température, mais sur une durée plus courte. A l’opposé, un poids moléculaire important requiert un recuit plus long afin de permettre la réorganisation efficace du polymère.

Dans tous les cas, il est possible d’obtenir des performances importantes (de près de 4%) en ajustant les paramètres cinétiques de fabrication des hétérojonctions en volume, pour prendre en compte la nature physico-chimique du polymère. L’utilisation de matériaux fortement régio-réguliers, est néanmoins requis pour permettre une bonne cristallisation de la phase polymère et permettre une génération de courant optimal.

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Chapitre III : Auto protection des cellules