L’électrode transparente

Électrode sur verre

Le substrat de l’électrode doit être transparent (Transmission > 80%) et conducteur (Résistance < 10^-3 Ω cm). On utilise en général un verre sur lequel est déposée une couche d’oxyde transparent et conducteur (TCO). Dans le cas des DSC, les deux TCO les plus utilisés sont :

- l’ITO (indium tin oxyde) contenant 90%wt de In2O3 et 10%wt de SnO2 [10] - le FTO (Fluoride doped Tin Oxide)

D’autres TCO que l’ITO doivent être étudiés car l’indium est un élément rare et cher. TCO candidats pour l’électrode transparente

Minami et al. ont recensé les TCO candidats potentiels pour l’électrode transparente [11] (Figure I-20). Au départ les systèmes binaires mélanges d’oxydes et d’impureté étaient les plus utilisés. D’autres systèmes dit ternaires ont également été développés mais restent peu utilisés comme TCO faute d’avoir trouvé un dopant efficace [12]. Les oxydes à base de Cd, bien que présentant de bonnes performances, restent peu applicables de part la toxicité du cadmium. Enfin les mélanges des trois oxydes ZnO, SnO2 et InO3 peuvent également être envisagés [13] (Figure I-21).

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Figure I-21 : Mélanges d’oxydes candidats pour l’électrode transparente

Parmi les candidats précédents, le ZnO dopé Al (AZO) déposé par laser pulsé, présente une résistance de 10^-5 Ω cm soit de l’ordre de celle d’une couche ITO [14]. L’AZO a également l’avantage d’être peu coûteux, abondant dans la nature et non toxique. Il se présente donc comme un bon candidat. Néanmoins les TCO pour les applications DSC doivent résister à la corrosion due à l’électrolyte et, dans le cas du TiO2, au traitement thermique. L’ITO et l’AZO par exemple, voient leur résistance augmenter avec le recuit à 500°C du TiO2. Les performances des cellules diminuent en conséquence [15]. Pour palier ce problème, un deuxième recuit sous N2 peut être effectué afin d’extraire les atomes d’oxygènes piégés dans l’ITO lors du premier recuit.

Systèmes multi-couches

Pour contrer cette perte de conductivité de l’ITO lors du recuit, on peut également envisager des systèmes multi-couches. Par exemple, Ngamsinlapasathian et al. ont étudié des électrodes transparentes de type ITO/AZO, ITO/ATO (ATO = Antimony doped tin oxide) et ITO/SnO2

[16,17]. Les électrodes ITO/ATO et ITO/SnO2 on gardé une bonne conductivité après recuit. Les meilleures performances ont été obtenues sur ITO/SnO2 avec 7,2 % de rendement, contre 5,5 % pour ITO seul. Enfin, Yoo et al. ont élaboré un empilement de 3 couches : ITO/ATO/TiO2 avec comme épaisseur respective 150, 100 et 30 nm [18]. Ce système donne de meilleures performances que l’ITO ou ITO/AZO car la conductivité ne diminue pas après recuit et l’adhésion de la couche de nanoparticules est renforcée par la fine couche de TiO2.

Autres revêtements conducteurs

Hormis les TCO, d’autres types de couches conductrices et transparentes sont étudiées. Wang et al. ont utilisé le graphène comme alternative au FTO dans la fabrication de cellules quasi-solides [19]. Cependant, les performances des cellules restent très inférieures pour ces électrodes.

Photo-anodes flexibles

Il existe également des substrats flexibles pour DSC de type : métallique (aciers, nickel, cuivre) [20–24], ITO sur un polymère (PET : poly(éthylène téréphtalate) ; poly(éthylène naphtalate) : PEN) [25,26] ou polymère conducteur (poly(3,4-éthylènedioxythiophène) dopé

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toluènesulphonate : PEDOT-TsO) [27,28]. Pour obtenir une DSC flexible, il faut que les substrats des deux électrodes soient flexibles et que l’un d’eux soit transparents. Actuellement, les substrats flexibles ont principalement été testés avec le l’oxyde de titane. L’emploi de substrats polymères dans le cas du TiO2 rend impossible le traitement thermique à 500°C nécessaire au frittage des particules. Il faut donc utiliser une méthode de synthèse plus douce [25,26,29–31]. Les aciers inoxydables flexibles peuvent subir des traitements à haute température et sont plus conducteurs que les polymères conducteurs, mais ils ne sont pas transparents. Il faut donc utiliser deux matériaux différents pour la photo-anode et la contre-électrode.

Kang et al. ont étudié trois substrats [21] : l’acier inoxydable (StSt), l’ITO sur acier inoxydable (ITO/StSt) et l’ITO sur SiOx sur acier inoxydable (ITO/SiOx/StSt). Le dépôt de la couche de titane est réalisé par voie sol-gel. La couche a été recuite à 500°C pendant 30 min, puis sensibilisée au N3 et la contre-électrode transparente utilisée est composée d’ITO-polyéthersulphone avec une couche de platine. La cellule est donc éclairée du côté de la contre-électrode. Le troisième substrat donne le meilleur rendement : 4,2% contre 4,8% pour un substrat classique verre-FTO. La couche de SiOx évite le contact direct entre l’acier et l’électrolyte qui produirait des recombinaisons.

Des feuilles de titane ont été testées comme photo-anode par Ito et al. La contre-électrode est un système PEN/ITO/Pt [32]. Le rendement obtenu est de 7,2% contre 10,2% sur substrat non flexible (Figure I-22). Cette différence est due à l’absorption de la lumière par la contre-électrode et par l’électrolyte et les réflexions parasites lors de l’éclairement pas l’arrière.

Figure I-22 : Caractéristiques J-V d’une cellule flexible et d’une cellule sur verre FTO

La cellule flexible est éclairée par l’arrière et la cellule de référence sur verre est éclairée par l’avant, d’où la différence de performance.

Conclusion sur l’électrode transparente : Actuellement les cellules solaires non-flexibles sont réalisées sur verre-FTO. D’autres TCO comme AZO, GZO ou des empilements plus complexes (ITO/ATO/TiO2) présentent de bonnes performances. Il paraît donc possible d’améliorer encore

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les performances des cellules par ce biais. Il faut toutefois que l’électrode ne soit pas dégradée par l’électrolyte, ni que sa résistance varie avec le recuit (frittage du TiO2).

Des cellules flexibles ont également été réalisées avec de bons rendements sur des feuilles de titane et avec une contre-électrode polymère ITO-PEN. Le côté par lequel la cellule est éclairée changeant considérablement les performances, leurs rendements ne sont pas aussi élevés qu’en éclairement par la photo-anode.