Matériaux des couches interfaciales

Les matériaux les plus utilisés autant que couche interfaciale dans le domaine photovoltaïque organique sont cités ci-dessous : les métaux ou couches conductrices, les semi- conducteurs ou couches semi-conductrices et les couches dipôles d'interface.

I.9.5.1. Les métaux

Les métaux peuvent être thermiquement évaporés pour former des couches optiques qui seront utilisées comme électrodes non-transparentes ou transparentes ou/et couches interfaciales [69]. Les métaux les plus employés pour constituer les électrodes appliquées aux cellules photovoltaïques organiques sont l'aluminium (Al), l'argent (Ag), et l'or (Au). Ces matériaux sont généralement interfacés avec d'autre métaux, tels que le calcium (Al/Ca et Ag/Ca), le magnésium (Al/Mg) et le titane (Au/Ti).

I.9.5.2. Les semi-conducteurs ou couches semi-conductrices

Nombre de matériaux semi-conducteurs ont déjà prouvé leur efficacité comme matériaux d'interface dans le domaine du photovoltaïque organique. Nous distinguerons deux types de semi-conducteurs:

a- les semi-conducteurs organiques

Le plus connu est le PEDOT:PSS. Les couches semi-conductrices organiques sont élaborées à partir de polymères ou de petites molécules. Les matériaux de couches interfaciales de type-p sont des matériaux pour le transport des trous, lesquels peuvent être dopés-p. Les

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matériaux de couches interfaciales de type-n sont les matériaux de transports d’électrons, lesquels peuvent être dopés n.

Les semi-conducteurs organiques sont classés en deux types :  Semi-conducteurs organiques de type-p :

Le polymère poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) est l’un des matériaux organiques les plus utilisés, dans le domaine de l’électronique organique, pour les couches interfaciales de type p ou encore comme matériau d’électrode transparente [70].

 Semi-conducteurs organiques de type-n :

Pourtant, très utilisés dans le domaine de l’électronique organique et plus spécifiquement des dispositifs OLEDs, les semi-conducteurs organiques de type-n sont encore très faiblement employés dans l’élaboration de cellules photovoltaïques organiques. Nous assistons cependant à un intérêt croissant pour ce type de matériaux avec l’expansion des matériaux photoactifs à petites molécules dans le domaine solaire [71].

b- les semi-conducteurs inorganiques

Dans le cas des semi-conducteurs inorganiques, on étudiera les métaux oxydés (nous

discuterons ici les plus employés comme WO3, MoO3, ZnO, TiOx). Le type du matériau oxydé

dépend de la position de sa bande de valence et de sa bande de conduction.

Comme ces matériaux doivent être interfacés avec la couche organique des cellules, nous devons appliquer deux principes selon le type-n ou type-p du semi-conducteur :

 Pour un métal oxydé de type-n, les électrons se déplacent du niveau LUMO de l'accepteur de la couche photoactive (ex : PCBM) à la bande de conduction du semi- conducteur.

Les semi-conducteurs inorganiques de type-n ont d'abord été exploités comme couches interfaciales cathodiques supérieures pour les structures conventionnelles de cellules photovoltaïques organiques où leurs rôles étaient multiples. Plus récemment, avec la prépondérance des structures inverses, ces matériaux se sont imposés avec succès comme couches interfaciales cathodiques [72-74].

 Pour un métal oxydé de type-p, la bande de valence du semi-conducteur doit correspondre au niveau HOMO du donneur de la couche photoactive (ex : P3HT); Un large gap de la bande interdite du matériau d'interface entraîne la formation d'une barrière pour les charges inappropriées (ex : trous vers la cathode ou électrons vers l'anode) et rend possible des contacts fortement sélectifs.

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L'exploitation des matériaux semi-conducteurs inorganiques de type-p comme couches interfaciales a longtemps été pensée pour le remplacement du PEDOT:PSS dans les structures conventionnelles de cellules photovoltaïques organiques. Les matériaux inorganiques peuvent être la solution pour atteindre une bonne stabilité des cellules [75].

I.9.5.3. Les dipôles

La modification du travail d’extraction de l’électrode par couche de dipôle est une voie alternative pour générer l’interface requise et pour former un contact ohmique. Le traitement de surface du matériau de l’électrode par une couche de dipôle peut entraîner la modification du travail d’extraction de l’électrode à travers la formation d’un dipôle en surface [76].

I.9.5.4. Les matériaux émergents d’interface

L’oxyde de Graphéne (Graphène Oxide - GO) est un autre matériau très intéressant qui a montré des résultats prometteurs en tant que couche sélective des trous (holes selective layer - HSL) efficace pour les VPOs [77]. GO est un dérivé oxydé de graphène, qui peut être préparé par oxydation chimique du graphite naturellement abondant en grande quantité et à faible coût. La processabilité en solution et ses propriétés électroniques et optiques uniques le rend comme nanomatériau prometteur pour diverses applications. La largeur de la bande interdite de GO a été mesuré à 3,6 eV, tandis que ses HOMO et LUMO ont été mesurés à -5,2 eV et -1,6 eV, respectivement. Le travail d'extraction de GO a été mesuré par la microscopie à sonde de Kelvin, montrant des valeurs comprises entre -4,9 et -5,1 eV [77].

Les niveaux d'énergie du GO suggèrent qu’il peut transporter des trous et bloquer les électrons, ce qui le rend un bon matériau sélectif des trous pour le PVO. Li et al. ont d'abord exploré l'utilisation de GO comme couche sélective des trous (HSL). Pour la cellule photovoltaïque organique à base de P3HT:PCBM et ont démontré que les cellules basés sur une fine couche de nanofeuillets de GO (2 nm) pourraient avoir des performances comparables à ceux utilisant une couche de PEDOT:PSS. Toutefois, les dispositifs avec des films plus épais de GO ont montré des faibles performances en raison de la nature isolante du GO [77].

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