photovoltaïques organiques sur substrats de verre
107 Nettoyage des substrats
III.2.3. Fabrication de cellules photovoltaïques organiques semi-transparentes
L’opportunité de réaliser des dispositifs en partie transparents à la lumière visible est un des avantages de l’électronique organique, pouvant être facilité par l’utilisation de Ag NWs. En déposant les Ag NWs en tant que contre-électrode transparente, il est possible d’arriver à des cellules OPV que l’on peut éclairer des deux côtés (voir Figure III.17). L’empilement utilisé pour ces cellules transparentes est également visible sur la Figure III.18, contenant uniquement des couches déposées par voie liquide excepté l’ITO.
Figure III.17. Dispositif OPV semi-transparent avec l’électrode supérieure en Ag NWs déposés par spray-coating (taille du substrat : 15 x 15 mm²)
Figure III.18. Empilement utilisé lors de la fabrication de cellules OPV transparentes sur petit substrat de verre/ITO
Concernant le procédé de fabrication, il reste proche des conditions qui viennent d’être présentées sur des substrats verre/ITO de 15x15 mm², mis à part les deux dernières couches qui seront déposées par voie liquide à l’air (s-WO3 et Ag NWs).
Les oxydes métalliques pouvant transporter les trous sont souvent déposés par évaporation/sublimation sous vide, toutefois leur mise en solution est également possible et assure des performances similaires voire meilleures par spin-coating [47], [48]. L’oxyde de tungstène s-WO3
est formulé en sol-gel en mélangeant le précurseur d’éthoxyde de tungstène (V) (W(OEt)5, Alfa Aesar) et de l’acide acétique (AcOH, Aldrich, 99,8%) à un ratio volumique 148:10 dans de l’isopropanol anhydre (Aldrich, 99,5%) avec 1,48 vol% de précurseur. Cette formulation doit être maintenue sous agitation pendant 24 heures avant usage afin d’initier le procédé sol-gel. Elle doit également être opérée en boîte à gants à cause de l’instabilité du précurseur face à l’humidité ambiante. La structure du précurseur est montrée sur la Figure III.19.
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Figure III.19. Structure du précurseur sol-gel du matériau s-WO3 transporteurs de trous : l’éthoxyde de tungstène
L’électrode supérieure en Ag NWs a été déposée par spray à travers le même type de masque que celui utilisé pour l’évaporation thermique. Les paramètres du spray étaient les suivants : dispersion de AgNW-60 à 0,5 mg/mL dans l’eau, T = 80°C, P = 1,5 bar, d = 15 cm, f = 100 mHz, N = 50 passages. Comme on peut l’observer sur la Figure III.20, le maximum de transmittance de l'empilement correspond au minimum d'absorption de la couche active de P3HT:PCBM.
Figure III.20. Spectres d’absorption (en pointillés bleus) et transmission (en trait plein bleu) de l’empilement entier utilisé pour les dispositifs OPV transparents (spectre d’absorption de la couche active P3HT:PCBM ajoutée en référence), et spectres de transmission des deux empilements transparents (verre/ITO/ZnO et s-WO3/Ag NWs) traversés par les photons avant d’atteindre la couche active
Ces cellules ont ensuite été testées au simulateur solaire, et éclairées par les deux faces (ITO ou Ag NWs) afin de comparer leur efficacité suivant le côté éclairé. Les résultats sont présentés dans le Tableau III.2 ainsi que sur les courbes J-V de la Figure III.21. Une cellule de structure verre/ITO/TiOx/P3HT:PCBM/s-WO3/Ag évaporé a été utilisée comme référence avec un rendement de 3,5 %, ce qui est tout à fait correct pour une cellule à base de P3HT:PCBM avec des couches de transport déposées par voie humide.
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Côté de l’éclairement
Caractéristiques ITO Ag NWs Référence : ITO
(Ag opaque) Jsc (mA/cm²) 9,16 5,4 12,24 Voc (V) 0,36 0,36 0,51 FF (%) 29 30 55 η (%) 0,961 0,587 3,48 Rs (Ω.cm²) 71 104 8,03 Rp (Ω.cm²) 6.104 1,2.105
Tableau III.2. Résumé des caractéristiques photovoltaïques de cellules semi-transparentes éclairées côté ITO ou Ag NWs, comparaison avec une cellule de référence avec électrode supérieure en argent évaporé (opaque)
Figure III.21. Courbes J-V de cellules semi-transparentes selon le côté éclairé (ITO ou Ag NWs) par rayonnement AM 1.5G, comparaison avec une cellule non recuite avant le test et cellule de référence avec électrode supérieure en argent évaporé (opaque)
Dans le cas des cellules transparentes. un recuit de 10 minutes à 100°C s’est avéré nécessaire pour améliorer les interfaces et ainsi atteindre des valeurs cohérentes, en plus de l’éclairement préliminaire des empilements (light-soaking) dû à la présence de TiOx [42]. Les cellules transparentes présentent un effet photovoltaïque avec un rendement compris entre 0,58 et 0,96 %, ce qui constitue un résultat prometteur. La Voc et le FF sont identiques quel que soit le côté éclairé (Voc0,36 V et FF0,3), seule la Jsc varie. Elle passe de 9 mA/cm2 si l'éclairement est effectué par l'ITO à 5,4 mA/cm2 s'il passe par les Ag NWs. Les Ag NWs étant moins transparents, le nombre de photons absorbés par la couche active est plus faible, ce qui induit une baisse de courant [49] comme cela est illustré sur la Figure III.20. Les couches que les photons ont à traverser (verre/ITO/TiOx ou s-WO3/Ag)
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ne présentent pas le même spectre de transmittance, avec une meilleure transparence du côté ITO sur l’ensemble du spectre visible. La cellule de référence opaque présente un courant, une tension et un facteur de forme plus élevés (12 mA/cm2; 0,5 V et 55%). La résistance série est également beaucoup plus faible (8 Ω.cm2 contre environ 100 Ω.cm2), ce qui s'explique par une plus faible résistance de l'électrode supérieure. Le facteur de forme étant lié à cette résistance, ce dernier augmente donc également pour les cellules opaques. La Voc est plus faible pour les cellules transparentes. Cette dernière est liée à la résistance parallèle et au courant en inverse dans le noir.
Même si les performances des cellules transparentes restent modestes, le fait que les cellules OPV fonctionnent est satisfaisant car aucune optimisation n’a été effectuée sur cette série. Cela reste une preuve de concept pour le projet qui servira de base pour la suite des travaux. Le potentiel de l’électronique organique est également mis en évidence par rapport au silicium en ce qui concerne les applications possibles.
Les procédures de fabrication sur substrats de verre décrites dans cette partie ont montré les difficultés qui seront probablement rencontrées lors de la fabrication sur substrat souple ensuite. La prise de contact avec l’électrode inférieure doit être assurée afin de connaître l’efficacité réelle des dispositifs. De plus les films de Ag NWs sont bien plus rugueux que les électrodes d’ITO, ce qui se répercute sur les performances des cellules OPV. Une prise de connaissance de la méthode de fabrication des dispositifs OPV au laboratoire s’est avérée nécessaire car elle permettra ensuite de justifier les choix effectués lors du développement des dispositifs sur grande surface souple avec les Ag NWs. L’électrode transparente de Ag NWs sur verre a montré des performances correctes au-dessus de 1% de rendement de conversion énergétique, ce qui est encourageant pour la suite des travaux. Enfin la préparation de cellules OPV semi-transparentes prouve que les applications de l’OPV restent versatiles et adaptables à des configurations très diverses. La transition vers des substrats souples peut désormais avoir lieu.
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