Chapitre IV. Les modules photovoltaïques organiques
IV.1. Généralités sur les modules photovoltaïques organiques
IV.1.2. Notions théoriques et pratiques sur les modules OPV
Un module photovoltaïque consiste en une succession de cellules individuelles possédant chacune sa propre surface active, et qui sont toutes connectées entre elles en série et/ou en parallèle [10]. La théorie à la base des modules sera premièrement analysée, puis mise en pratique avec leur fabrication et les différences par rapport aux cellules OPV fabriquées au laboratoire.
155
IV.1.2.1. Principe de fonctionnement des modules photovoltaïques
Pour relier deux composants d’un circuit électrique, on peut les connecter en série et/ou en parallèle comme illustré sur la Figure IV.9. Dans le premier cas la tension résultante s’en trouvera augmentée car elle correspond alors à l’addition des forces électromotrices des cellules connectées en série. En revanche lors d’une connexion en parallèle, c’est le courant total qui est exalté de par l’accumulation des courants sortant de chaque composant. Ces deux configurations sont possibles au sein des modules photovoltaïques, selon l’arrangement de l’empilement.
Figure IV.9. Circuits électriques en série ou en parallèle et les caractéristiques résultantes
IV.1.2.1.1. Mise en série
La plupart des modules photovoltaïques comportent des cellules connectées en série, étant donné que la plupart des appareils électriques nécessitent une tension supérieure à celle délivrée par une seule cellule pour fonctionner. Cette configuration a été choisie pour le projet ISOCEL car elle représente l’application la plus répandue et aussi la plus réaliste. Dans ce cas, les électrodes de chaque cellule adjacente seront reliées de façon à ce que l’anode de l’une soit connectée à la cathode de l’autre ou inversement. Ceci est dépeint sur le schéma de la Figure IV.10. Une telle structure implique des contraintes supplémentaires au niveau du procédé. En effet, la mise en contact de l’électrode inférieure avec la supérieure précédente n’est pas triviale, selon les procédés de dépôt employés et les matériaux en présence. Le problème sera traité à travers ce chapitre car il s’est avéré être un des plus gros verrous lors de la fabrication de modules.
156
Figure IV.10. Schéma d’un empilement de deux cellules OPV connectées en série
IV.1.2.1.2. Mise en parallèle
Dans ce cas, les électrodes se rangent alors par polarité : les anodes sont toutes reliées entre elles et il en va de même pour les cathodes. Un tel arrangement est schématisé sur la Figure IV.11. Les publications au sujet des modules OPV arrangés en parallèle sont quasi-inexistantes ou du moins des connexions en série sont aussi présentes car elles représentent la seule condition pour obtenir la puissance requise au fonctionnement d’appareils électriques [11],[6].
Figure IV.11. Schéma d’un empilement de cellules OPV connectées en parallèle
Des deux connectivités possibles, la mise en série sera privilégiée dans notre travail. Néanmoins cette configuration comporte quelques verrous technologiques discutés plus loin. Et comme souvent, l’augmentation de surface inflige des pertes énergétiques et les dispositions visant à les minimiser seront précisées.
157
IV.1.2.2. Procédés de fabrication
La préparation de modules OPV utilise bien évidemment les techniques de dépôt grande surface disponibles pour l’électronique organique et déjà décrites dans ce mémoire. Seules les architectures vont changer afin de permettre l’interconnexion des cellules du module. En observant l’empilement sur la Figure IV.12 on peut remarquer que les trois couches représentées sont toutes régulièrement espacées avec un décalage pour chaque couche par rapport aux autres. Cela permet de délimiter les zones actives et surtout de relier les électrodes de polarités opposées.
Figure IV.12. Vue en coupe d’un empilement de module OPV avec cellules connectées en série
Il existe deux voies principales pour former des architectures de modules : soit les couches sont déposées sur la totalité de la surface puis subissent plusieurs étapes de gravure, soit elles sont directement déposées sous forme de motifs.
Avec la première voie, les couches sont ablatées par un faisceau laser après leur dépôt « pleine plaque ». Ce procédé existe et a déjà été décrit depuis plusieurs années [12],[13]. Son principe est résumé sur la Figure IV.13 (module OPV transparent avec électrode supérieure en Ag NWs)[14]. La technique de lithographie permet de mettre en forme l’électrode inférieure uniquement, car bien qu’elle soit très précise, elle peut dégrader les couches organiques [15].
Figure IV.13. Empilement OPV d’un module en série ayant subi 3 étapes d’ablation laser P1, P2 et P3[14]
158
La seconde voie consiste à déposer les matériaux sous forme de motif à des endroits prédéfinis par des techniques telles que l'évaporation sous vide, la sérigraphie, le jet d'encre ou le slot-die coating [16].
D’autre part récemment de nouvelles architectures ont été développées dans la littérature afin de simplifier les procédés de dépôt [17],[18]. Sur la Figure IV.14 [18] sont montrées deux architectures de modules : (a) un arrangement où ce ne sont plus les électrodes mais les couches de transport de charges (en jaune et bleu) qui sont mises en contact et (b) l’arrangement dit conventionnel où les électrodes sont reliées. L’arrangement décrit en (a) a été optimisé non seulement pour s’affranchir de la gravure mais aussi pour minimiser la zone « morte » montrée sur la Figure IV.12.
Figure IV.14. Deux architectures de modules connectés en série : (a) les couches de transport de charges (en jaune et bleu) sont reliées entre elles et (b) les électrodes (en gris et rose) sont reliées entre elles. La couche en vert représente la couche active de l’empilement OPV (image prise de [18])
Ces deux scénarios, impliquant ou non la gravure laser, ont été étudiés au cours des travaux de thèse et vont être détaillés dans les parties suivantes.
IV.1.2.3. Caractérisation des modules photovoltaïques organiques
Par rapport à des cellules individuelles, un module sera finalement évalué sur les mêmes grandeurs mais sur une surface active plus importante. Des pertes sont à prévoir au niveau de l’extraction des charges dans un empilement OPV, ce qui oblige à créer des surfaces de taille raisonnable pour ensuite les relier entre elles [19]. Cependant la zone réellement utile sur l’ensemble d’un module reste limitée et doit être optimisée pour pallier ces pertes énergétiques. Un moyen d’évaluer l’efficacité d’une architecture de module est le facteur de forme géométrique (GFF), qui représente le rapport entre l’aire active d’un module et sa surface totale :
159
GFF = 𝐿−(𝑁−1).𝑑𝐿 𝑖𝑛𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 (IV.1)
avec L la largeur du module, N le nombre de cellules présentes et dinactive la distance « morte » sur une cellule. Ce rapport doit être maximisé pour tendre vers 1. Le concept est illustré sur la Figure IV.13 où se trouve une vue en coupe classique d’empilement de module OPV.
Concernant les autres pertes liées à cet arrangement en série, le courant de court-circuit du module correspondra à celui de la cellule la moins efficace (tout comme la tension en circuit ouvert d’un module en parallèle sera celle de la cellule qui présente la valeur la plus basse). Il conviendra donc d’assurer un maximum d’uniformité des couches afin de limiter les dysfonctionnements. Un exemple de courbes J-V montré en Figure IV.15 compare l’allure des courbes idéales pour un module en série et en parallèle par rapport à une cellule simple.
Figure IV.15. Exemple de courbes J-V idéales pour différentes connexions de cellules OPV en module
Après cette brève introduction sur les modules OPV, leur préparation en pratique va pouvoir être abordée. Au-delà des problèmes décrits dans les deux chapitres précédents, la mise en série de plusieurs cellules passe par la connexion de leurs électrodes respectives et cela va constituer le cœur des expériences à venir. La première option mettant en jeu le procédé d’ablation laser au cours de la fabrication sera décrite dans la partie qui suit.
160