Influence de la température de recuit sur les performances des cellules 1 Effet du recuit thermique pour une concentration de 50mg/ml

La température de recuit a une grande influence sur l’amélioration des performances des cellules. A cet effet des cellules à base des 4 P3HTs, ont été réalisées avec une concentration de 50mg/ml en solution dans le chlorobenzène (CB), ayant la même épaisseur de la couche active de 150nm. Ces cellules ont subi un recuit thermique post élaboration à 110°C et 150°C

pendant 30min. Les cellules sont testées sous une irradiation de 100 mW.cm-2 (AM1.5) et les

caractéristiques J = f(V) (densité de courant en fonction de la tension) sont représentées sur la figure II.14

 Caractéristiques J(V)

Figure II.14. Caractéristiques J = f(V) des cellules à base des 4 P3HTs ayant subi un recuit thermique post élaboration de 110°C (a) et 150°C (b) pendant 30 min pour une concentration

de 50mg/ml.

Les caractéristiques J(V) montrent une augmentation significative du courant de court- circuit et donc du rendement, pour les cellules à base du polymère BA02 après un recuit à 150°C, pour atteindre un rendement de 4%. Ceci peut s’expliquer à la fois par un très bon empilement des chaînes qui conduit à une mobilité accrue et un plus grand nombre de porteurs de charges. Cependant les performances du BA01 et AL02 varient très légèrement en passant de 2,71 % et 2,85% respectivement pour atteindre les 3% pour le même recuit. L’augmentation de température de recuit a perturbé la conformation planaire et l’ordre des chaînes des polymères BA01 et l’AL02 ce qui a réduit l’absorption et la mobilité des porteurs

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de charges. Cette tendance a également été confirmée par des mesures des spectres d’UV- Visible, faites à 150°C qui sont enregistrés sur la figure ci-dessous.

 Spectroscopie d’absorption UV-visible

Les spectres enregistrés relatifs aux couches actives P3HT:PCBM préparées à partir

des quatre P3HT sont présentés sur la Figure II.15. Les films ont été déposés par spin-coating à partir des solutions mères de concentration de 50mg/ml dans le Chlorobenzène (CB) et ont été recuits à 150°C pendant 30 min.

Figure II.15. Spectre d’absorption des couches actives P3HT:PCBM élaborées à partir des 4 P3HT déposés à partir de solutions de 50mg/ml dans le

chlorobenzène (CB), et recuits à 150°C pendant 30 min.

Sur ces spectres, le pic d’absorption notable vers 380 nm correspond à la contribution du PCBM à l’absorption. L’absorption du P3HT se manifeste dans la gamme 400-650 nm. Les quatre polymères montrent des différences, aussi bien au niveau de la forme des spectres que de leur densité optique. Le mélange élaboré à partir du BA02 montre une absorbance plus intense et beaucoup mieux définie avec des contributions nettes à 522, 555, et 607 nm. Ces épaulements témoignent d’une meilleure cristallisation du P3HT après le recuit à 150°C par rapport aux autres polymères. Le spectre du film formé à partir de l’AL02 est un peu moins structuré, illustrant le fait que la température de recuit de 150°C n’est pas la plus adaptée pour sa structuration, comme discuté dans les sections précédentes.

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Les spectres d’absorption du BA01 et de l’AL01 sont moins intenses que pour les P3HTs les plus régioréguliers, ce qui est à mettre en relation des moins bonnes performances observées pour ces 2 polymères. Concernant l’épaulement à 600 nm, celui-ci est mieux défini et plus intense sur le spectre des P3HTs les plus régioréguliers [3, 32], compatible avec la présence majoritaire de la configuration HT-HT qui permet un empilement des chaînes (π- stacking) [33], beaucoup plus compact associé à un meilleur ordre des polymères.

II.7.2 Effet du recuit thermique pour une concentration de 40mg/ml

L’effet du recuit thermique sur les performances des cellules a été démontré pour une concentration de 50mg/ml dans le paragraphe précédent. Dans cette section, nous voulons utiliser des solutions ayant une concentration de 40mg/ml et suivre l’influence de l’augmentation du recuit thermique sur l’amélioration des performances des cellules.

 Caractéristiques J(V)

Figure II.16. Caractéristiques J = f(V) des cellules à base des 4 P3HTs ayant subi un recuit thermique post élaboration de 110°C (a) et 150°C (b) pendant 30 min pour une concentration

de 40mg/ml.

Pour une concentration de 40mg/ml, seul le BA02 qui a démontré une amélioration de ses performances après un recuit à 150°C, le rendement de conversion de courant a augmenté de 3,16% à 3,66% et le facteur de forme de 0,58 à 0,62, contrairement au polymère BA01. L’augmentation de la température, pour une durée étendue de 30min, a provoqué la désorganisation des chaînes du polymère BA01 qui s’est traduit par une diminution

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significative de la densité de courant, en passant de 10,30 à 8,44 (mA/cm2) et du facteur de forme qui a chuté de 0,52 à 0,44, et par conséquent le rendement de conversion énergétique. En revanche de faibles variations, de densité de courant, de facteur de forme et de rendement, ont été enregistrées pour l’AL02 à 150°C.

 Spectroscopie de photo-courant

Les spectres d’action (IPCE) des cellules à base des P3HTs, après des recuits thermiques à 110°C et 150°C, sont mesurés sous irradiation monochromatique et sont enregistrés sur la Figure II.17. Ces spectres correspondent à la variation de l’efficacité quantique externe (EQE), autrement dit au rapport entre le nombre d’électrons collectés et le nombre de photons incidents pour une longueur d’onde d’irradiation donnée.

Pour chaque polymère, le spectre IPCE montre que le maximum d’efficacité de la cellule se situe sur une gamme spectrale allant de 400 nm à 660 nm. L’efficacité diminue ensuite jusqu’à être quasi nulle au-delà de 670 nm environ, ainsi les photons absorbés au-delà de cette longueur d’onde ne participent pas au photo courant.

Figure II.17. Spectres d’IPCE des cellules à base des quatre P3HTs recuites à 110°C/ 30min (a) et 150°C / 30min (b), pour une concentration en solution de 40mg/ml.

On constate qu’un maximum d’efficacité de l’ordre de 54 % est obtenue pour le BA02 sur une gamme étendue de 450nm jusqu’à 650 nm après un recuit à 150°C ce qui correspond à une absorption maximale du polymère traduit par un bon empilement de ses chaines. Alors

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que pour les deux autres polymères (AL02 et BA01), leur efficacité a diminué de 55% jusqu’à 38% et de 48% jusqu’à 32% respectivement, pour le même recuit thermique qui se traduit par leur faible absorption aux températures élevées. Tous les spectres présentent un épaulement notable vers 380 nm qui correspond à la contribution du PCBM au photo courant.