Etude de l’amplitude de la phototension en fonction de la fréquence de modulation

Nous avons voulu étudier l’influence de la modulation sur l’amplitude de la tension mesurée par l’amplificateur à détection synchrone. En se positionnant en un point fixe du module Konarka précédent, nous avons relevé l’amplitude de la phototension toutes les 100 ms afin d’obtenir un échantillonnage d’un millier de valeurs pour chaque fréquence de modulation fixée. Le hacheur optique, fonctionnant sur une plage de fréquence de quelques Hz à 3,8 kHz, nous a permis de varier la fréquence de modulation de manière contrôlée. Les résultats obtenus pour diverses fréquences de

modulation sont présentés à la figure 2.3.5 :

Figure 2.3.5 : Impact de la variation de la fréquence de modulation sur l'amplitude de la phototension en un point du module Konarka (retour)

On constate que l’amplitude de la phototension mesurée décroit significativement avec la fréquence. Entre 100 et 200 Hz, l’amplitude du signal diminue de moitié. A 800 Hz, cette dernière est inférieure à 80 % de celle obtenue à 100 Hz et à 3,2 kHz, l’amplitude du signal mesuré atteint à peine 5% de l’amplitude à 100 Hz. Cette mesure a été reproduite en différents points du module et la tendance reste la même.

Afin d’identifier le phénomène, nous avons procédé par élimination. Nous avons tout d’abord contrôlé le dispositif de mesures. A l’aide d’une photodiode de référence en silicium certifié NREL, nous avons mesuré l’amplitude de la phototension pour différentes fréquences : 100, 400, 1000, 2000 et 3000 Hz. L’amplitude mesurée reste stable d’une fréquence de modulation à l’autre. Cela nous a permis de mettre hors de cause des problèmes de modulation dûs au hacheur optique et de récupération du signal par l’amplificateur à détection synchrone. Par ailleurs, compte tenu de son

impédance (R= 10 MΩ_{) et de sa capacité d’entrée (C= 25 pf), le SR 830 peut récupérer des signaux}

modulés sur une gamme de fréquence allant de 1 mHz et 102 kHz. Cela ne pose donc aucun problème pour récupérer des signaux sur la plage de fréquence étudiée.

[96]

Le phénomène observé provient donc du dispositif OPV étudié. Deux causes peuvent expliquer une diminution des amplitudes de phototension mesurées :

- Un temps de modulation trop rapide par rapport au temps de transit des porteurs de

charges. Les charges n’ont pas le temps d’atteindre les électrodes et d’être collectées.

- Un effet capacitif important dû à la surface de l’électrode de collecte. L’augmentation de la

fréquence de modulation empiète de plus en plus sur le temps de réponse (de charge et de décharge) du dispositif OPV.

Concernant les temps de transit, nous savons que ce module est composé d’une couche active à base de P3HT/PCBM. Les temps de transit des charges dans ce type de mélange sont typiquement de l’ordre de 10^-5 à 10^-4 s suivant les ratios donneur/accepteur [57]. Compte-tenu de cet ordre de

grandeur, la fréquence de modulation deviendrait trop rapide entre 10 et 100 kHz [58, 59]. Par

conséquent, les temps de transit dans le P3HT/PCBM ne peuvent être mis en cause dans le cas présent.

Nous nous sommes alors intéressés aux possibles effets capacitifs du dispositif testé. La figure

2.3.6 illustre l’impact de la modulation sur la réponse d’un dispositif OPV :

Figure 2.3.6 : Impact de la modulation sur la réponse du dispositif OPV

Tandis que le temps t2 dépend de la fréquence de modulation, les temps de charge t1 et de décharge

t3 dépendent des paramètres intrinsèques du dispositif photovoltaïque étudié et en particulier de sa

capacité parasite. Cette dernière dépend de la permittivité des différentes couches constituant la structure, de la surface efficace électriquement active S et de l’épaisseur e de la structure.

Figure 2.3.7 : Effet capacitif d’un dispositif OPV

Dans notre cas, la surface S est définie par l’électrode supérieure (en Ag) du dispositif. La capacité C du dispositif s’exprime alors par l’expression suivante :

Avec S = surface de l’électrode supérieure

[97]

Afin de pouvoir visualiser la réponse du dispositif à l’excitation lumineuse, nous avons couplé un

oscilloscope numérique (Voltcraft DSO 4022) en parallèle avec l’amplificateur SR830. Les figures 2.3.8

et 2.3.9 présentent la réponse du module en circuit ouvert pour différentes fréquences de modulation mesurées avec l’oscilloscope. L’échelle en X est en nombre de mesures afin de pouvoir comparer l’allure des différents signaux.

Figure 2.3.8 : Réponse du module en circuit ouvert pour différentes fréquences de modulation

[98]

La réponse aux faibles fréquences est bien composée de trois parties distinctes : un temps de montée t1, un temps t2 de saturation et un temps de décharge t3. On observe que lorsque la

fréquence de modulation augmente, le temps t2 diminue jusqu’à totalement disparaître aux

alentours de 100-150 Hz. Passé ce seuil, la réponse n’est composée que d’un temps de charge et de décharge sans jamais atteindre l’amplitude de saturation. La fréquence de modulation est alors trop rapide et les effets capacitifs du dispositif ne lui permettent plus de suivre la fréquence de l’excitation lumineuse. Ce phénomène provoque alors la chute de la phototension mesurée avec l’augmentation de la fréquence de modulation et permet d’expliquer les résultats obtenus par LBIV à la figure 2.3.5.

Afin de confirmer que le phénomène observé est bien dû à un effet capacitif, nous avons réalisé une étude similaire sur des cellules réalisées au laboratoire possédant le même empilement que le module Konarka : ITO/ZNO/P3HT:PCBM (1:1)/PEDOT:PSS/Ag. La surface active de ces cellules est de 2 cm² tandis que, dans le module Konarka, la surface active d’une cellule est de l’ordre de 10 cm . En considérant que l’épaisseur e et la permittivité ε sont du même ordre de grandeur entre une cellule du module et une cellule réalisée au sein du laboratoire, on peut estimer que seule la surface électriquement active S intervient dans l’effet capacitif. En faisant cette hypothèse, on peut s’attendre à ce que l’effet capacitif soit nettement plus faible dans le cas de la cellule de 2cm² que dans le cas de celle de 10 cm². Cela diminuerait les temps t1 et t3 de charge et de décharge et

décalerait le seuil pour lequel t2 disparait vers des fréquences plus élevées.

Comme pour le module, nous nous sommes positionnés en un point de la cellule de 2 cm² et nous avons relevé l’amplitude de la phototension pour diverses fréquences de modulation. Les résultats

obtenus sont présentés à la figure 2.3.10 :

Figure 2.3.10: Impact de la variation de la fréquence de modulation sur l'amplitude de la phototension en un point d’une cellule de 2cm²

[99]

Comme pour le module Konarka, on observe une décroissance de l’amplitude de la phototension mesurée avec l’augmentation de la fréquence de modulation. Cependant, la chute brutale d’amplitude n’a plus lieu vers 100-150 Hz mais plutôt aux alentours de 1kHz. Afin de vérifier que cette fréquence correspond au seuil à partir duquel t2 0, nous avons visualisé la réponse de la cellule à l’aide de l’oscilloscope numérique. La figure 2.3.11 présente la réponse de la cellule à diverses fréquences de modulation.

Figure 2.3.11 : Réponse de la cellule de 2cm² en circuit ouvert pour différentes fréquences de modulation

L’amplitude de la réponse reste relativement stable jusqu’à 1 kHz. Passé ce seuil, les effets capacitifs

ne sont plus négligeables (t2 0) et l’amplitude diminue significativement avec la fréquence.

En réalisant une cellule de 1 cm², nous avons observé une légère diminution de la tension mesurée avec Le LBIV pour le même intervalle de fréquence de modulation mais pas de chutes brutales de l’amplitude. En visualisant la réponse de la cellule à 600 et 3500 Hz, on se rend compte que le seuil où les effets capacitifs ont une influence significative n’est pas encore atteint.

Figure 2.3.12 : Réponse d’une cellule de 1cm² en circuit ouvert pour des fréquences de modulation de 600 et 3500 Hz

[100]

En conclusion, suivant la fréquence de modulation utilisée, les effets capacitifs peuvent influencer considérablement l’amplitude de la phototension mesurée par LBIV. Comme nous l’avons montré, la surface active du dispositif a un effet direct sur la valeur de la capacité parasite. Plus le dispositif a une surface active importante et plus les effets capacitifs sont marqués. Le seuil en fréquence pour

lequel t2 0 est plus rapidement atteint et passé ce seuil, l’amplitude de la réponse en phototension

diminue significativement.

Dans notre cas, les dispositifs en dessous de 1 cm² ont des effets capacitifs négligeables et la fréquence de modulation n’influence pas les mesures. Pour des dispositifs de 2 cm , les effets commencent à se faire ressentir et pour des modules les effets sont non négligeables sur l’amplitude du signal mesuré.

Dans l’absolu, ces effets capacitifs ne sont pas forcément pénalisant dans l’acquisition de cartographie par LBIV. Comme la cartographie est réalisée à une fréquence de modulation donnée, chaque point cartographié sera confronté aux mêmes phénomènes d’excitation et leurs réponses seront de la même forme. Si on choisit une fréquence de modulation où les effets capacitifs sont importants, l’amplitude mesurée est nécessairement moins importante qu’aux faibles fréquences, néanmoins l’amplificateur SR830 est adapté à mesurer des signaux de très faibles amplitudes. Le contraste des zones sur les cartographies ne devrait donc pas en pâtir. Nous avons cependant la possibilité d’éviter de se placer dans cette situation, c’est pourquoi l’ensemble des cartographies que nous présenterons par la suite sera réalisé à des fréquences de modulation inférieure à 300 Hz.