Verre clair
3 Elaboration et caractérisation électrique des cellules photovoltaïques organiques
Ce paragraphe présente la méthode de fabrication des cellules photovoltaïques de type hétérojonction planaire D/A et leur caractérisation électrique, dans le but d’obtenir les différents paramètres caractéristiques des composants.
3.1 Dispositif expérimental
Les films minces de matériaux moléculaires sont déposés par sublimation sous vide (figure II-12). Pour cela, les produits à sublimer sont placés dans des coupelles de quartz, elles-mêmes posées sur des lames de tantale qui sont chauffées par le passage d’un courant dont l’intensité est contrôlée. La chaleur produite est transmise aux matériaux organiques par rayonnement. Une balance à quartz permet de contrôler in situ à la fois la vitesse de dépôt et l’épaisseur des couches obtenues. Des creusets en tungstène sont utilisés pour évaporer les métaux d’électrode. Le vide à l’intérieur de la cloche est inférieur à 10-6 Torr.
Figure II- 13 : Vue de face de la boîte à gants.
L’évaporateur (Figure II-13) est placé dans une boîte à gants équipée d’un système de purification d’azote permettant le contrôle de la quantité résiduelle d’oxygène et de vapeur d’eau.
3.2 Elaboration des cellules
Les composants réalisés pour cette étude sont constitués de films organiques pris en sandwich entre une anode en oxyde d’étain et d’indium (ITO) et d’une cathode généralement en aluminium. Les substrats utilisés sont des plaquettes de verre recouvertes d’ITO d’épaisseur 130 nm, ayant une résistance carrée de 15 Ω/ et un travail de sortie de 4,7 eV.
Avant le dépôt des matériaux organiques, l’ITO doit être nettoyé afin d’obtenir des résultats reproductibles. Dans notre cas, l’étape de nettoyage consiste à immerger le substrat dans un bain à ultrasons contenant d’abord de l’acétone puis de l’éthanol (10 mn à 60°C pour les deux bains). Le su bstrat est ensuite rincé à l’eau désionisée pendant 5 minutes.
La gravure de l’ITO sous forme de bandes a été choisie pour éviter les court- circuits sur les bords de la plaquette de verre entre l’anode et la cathode et pour augmenter le nombre de composants réalisés sur chaque plaquette.
Figure II- 14 : Configuration des cellules.
Les matériaux moléculaires ainsi que la cathode en aluminium sont déposés par évaporation sous vide à des vitesses de 1 Å/s et 14 Å/s respectivement.
3.3 Caractérisation électrique des cellules
Les mesures des courbes I(V) ont été effectuées à température ambiante à l’aide d’un banc de mesure (figure II-15) constitué d’un boîtier d’alimentation et d’un boîtier de contrôle et d’acquisition. Une interface homme-machine installée sur un ordinateur de type PC permet de contrôler le tout.
Figure II-15: Schéma électronique du banc de mesure
• Le boitier d’alimentation
Le boîtier d’alimentation a pour fonction de fournir cinq tensions continues, à partir de la tension alternative du secteur (220 Volts, 50 Hz). Ces tensions sont destinées à alimenter le deuxième boîtier du dispositif expérimental. Quatre d’entre
PC Système Instrumental USB Vs IOLED IPH VDIN Electrode arrière Plaquette de verre Accepteur Donneur ITO
elles sont des tensions symétriques (+5V / –5V et +15V / –15V). La dernière, étant une tension continue de +32 Volts.
Un double interrupteur, phase et neutre, suivi d’un fusible de protection de 100 mA, sont placés en entrée du circuit. Ils permettent, respectivement, la mise sous tension et la sécurisation de l’alimentation générale du boîtier. Cinq voyants lumineux signalent la présence des cinq tensions continues.
• Le boitier de contrôle et acquisition
Le second boîtier est composé de deux cartes électroniques. La première comprend le circuit microcontrôleur qui assure la communication USB et qui délivre 5 ports de données sur 8 bits. La seconde délivre les tensions de sortie à partir de ces 5 ports, permettant ainsi la mesure et l’acquisition du photocourant (IPH).
• L’interface homme-machine
Le banc de test des composants électroniques organiques, cellules photovoltaïques et diodes électroluminescente organiques est composé de trois interfaces homme machine, deux spécifique aux OLEDs et une mixte.
Parmi les deux programmes destinés uniquement aux OLEDs, le premier, assez basique, délivre une tension constante, fixée par l’utilisateur et comprise entre -15 et +30 Volts. Il effectue ensuite des mesures du courant (Ioled) et de la tension
image de la puissance lumineuse (Vdin) à intervalle de temps défini lors de la
programmation. A l’écran, deux graphiques affichent le courant (Ioled) et Vdin en
fonction du temps, ces données étant également enregistrées dans un fichier dans le disque dur de l’ordinateur.
Le second programme, toujours pour l’étude des OLEDs, a pour objectif de faire fonctionner la source électrique en générateur de courant. L’utilisateur introduit une valeur Icont, correspondant au courant qui doit traverser l’OLED pendant toute la
durée de la manipulation. Le programme ajuste constamment la tension de sortie (Vs) afin de respecter cette consigne. La variation de la tension en fonction du temps
Enfin, le programme mixte, c’est-à-dire utilisé à la fois pour les cellules photovoltaïques organiques et pour les diodes électroluminescentes organiques, effectue des caractéristiques courant-tension et luminosité-tension. Il permet de générer une rampe de tension simple, c’est-à-dire croissante de Vmin à Vmax ou
double (croissante de Vmin à Vmax, puis décroissante de Vmax à Vmin) dont les valeurs
limites sont à définir par l’utilisateur. Ceci permet de vérifier la présence ou non de phénomène d’hystérésis. Les caractéristiques sont affichées par graphique et sauvegardées. Dans le cas des cellules photovoltaïques, la gamme de tension balayée est moins importante (-3 V à 5 V), et IPH est le courant enregistré sous
éclairement ou dans l’obscurité. Ce montage permet de mesurer la véritable valeur du courant de court-circuit puisqu’il permet de s’affranchir des tensions résiduelles présentes dans une alimentation conventionnelle.