Procédé basé sur la fabrication de cellules photovoltaïques organiques sur substrat souple

Plusieurs méthodes peuvent être envisagées pour la réalisation de modules OPV, selon les moyens à disposition mais aussi les contraintes imposées (pas de travail en atmosphère contrôlée d’azote, pas d’utilisation de pompage sous vide,…). Dans cette partie, deux scénarios différents qui évitent la gravure physique des couches par ablation laser vont être exposés : le premier s’appuiera sur le procédé de fabrication de cellules OPV développé au chapitre III, tandis que le second sera centré sur la technique de dépôt par slot-die coating. Ces deux procédés ont été planifiés cependant ils ne sont encore qu’au stade d’essai et seront directement réalisés sur des substrats de PET.

IV.3.1. Procédé basé sur la fabrication de cellules

photovoltaïques organiques sur substrat souple

Dans la continuité des travaux de thèse et du projet ISOCEL, le procédé mis en place pour la fabrication de cellules OPV individuelles sur substrat souple va maintenant être valorisé en le transférant aux modules OPV.

IV.3.1.1. Méthode de fabrication des modules photovoltaïques organiques

Le procédé de fabrication des dispositifs OPV sur substrat souple développé au chapitre III comporte plusieurs éléments qui pourront être adaptés à la fabrication de modules. En effet la technique de dépôt par spray va permettre de déposer l’électrode transparente de Ag NWs directement sous forme de motifs, afin de bien séparer les futures cellules à relier. Ces motifs sont adaptables à l’envi (dans la limite de résolution des masques fabriqués par xurographie, voir section III.3.1.3) et définiront la surface active des cellules. Concernant l’architecture du module, elle sera basée sur l’arrangement conventionnel montré en sur la Figure IV.14 (b) où les électrodes des cellules adjacentes sont mises en contact. Le verrou le plus important de toute cette procédure réside dans la prise de contact de cette électrode de Ag NWs.

De plus, dans le but de maximiser le facteur de forme géométrique GFF (défini par la relation (IV.1)) il est important de bien délimiter chaque zone correspondant aux couches de l’empilement OPV et ainsi limiter les pertes énergétiques. Il est également important de s’assurer de la bonne qualité du contact électrique entre les cellules du module. C’est pourquoi une étape supplémentaire de protection et renforcement des Ag NWs situés dans la zone d’interconnexion a été ajoutée avant le dépôt de la couche active P3HT:PCBM (voir Figure IV.33 ci-après). A cet effet, une couche d’argent de 80 nm est déposée par évaporation sur les Ag NWs de la zone d’interconnexion et permet de la protéger lors de l’étape de récupération du contact par gravure chimique du P3HT:PCBM (avec un coton-tige imbibé de chloroforme). L’empilement des dispositifs, comportant 4 cellules reliées en série, sera donc Ag NWs/PFN/P3HT:PCBM/MoO3/Ag, avec les conditions de dépôt optimales déduites de la section III.3.2.3 :

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- Ag NWs (spray) : T = 60°C, f = 200 mHz, d = 15 cm, P = 1,5 bar, N = 6 passages (solvant : methanol)

Caractéristiques optoélectroniques de l’électrode de contrôle : RS = 14 Ω/, T(550 nm) = 87%, σDC/ σop = 185

- PFN (spray) : T = 65°C, f = 100 mHz, d = 12 cm, P = 1,5 bar, N = 5 passages - P3HT:PCBM (Doctor Blade) : T = 60°C, v = 20 mm/s, h = 350 µm

- MoO3/Ag (évaporateur thermique) : 10/80 nm

L’ensemble du procédé est résumé sur la Figure IV.33, où l’aire active de chaque cellule correspond à la zone définie après le dépôt du PFN (rectangles verts). Le détail du recouvrement des contacts lors du dépôt de l’électrode supérieure est également montré sur la Figure IV.34. Une seule lame de 15 x 15 mm² comprenant 4 cellules en série est représentée, cependant les lames sont fabriquées par lot de 6 qui sont préparées sur le même grand substrat de 85 x 50 mm² jusqu’à la découpe en lames individuelles avant l’évaporation des contacts supérieurs (voir section III.3.2.3).

Figure IV.33. Schéma du procédé de fabrication de modules OPV de 4 cellules connectées en série, basé sur la fabrication de cellules OPV sur substrat souple développée au chapitre III (taille d’un substrat : 15 x 15 mm²)

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Figure IV.34. Schéma du recouvrement des contacts entre 4 cellules adjacentes connectées en série

La gravure chimique a été effectuée à travers le masque d’évaporation des contacts d’argent car cela permet une gravure sélective qui n’atteint pas les zones actives des cellules. On remarquera d’ailleurs qu’un masque est employé à chaque étape sauf pour celle de dépôt de la couche active, traduisant ce besoin de bien définir les zones occupées par chaque couche de l’empilement. De ce fait un des facteurs pouvant nuire au bon déroulement du procédé reste l’alignement successif de ces masques, étant donné que les dimensions des ouvertures sont de l’ordre de quelques millimètres au maximum et que tout est réalisé manuellement. Un module fini est visible sur la Figure IV.35.Le contact en métal qui se trouve de biais sur la gauche a été défini pour une simple raison de prise de contact au simulateur solaire lors de la caractérisation des modules.

Figure IV.35. Photographie d’un module OPV de 4 cellules connectées en série, réalisé à partir du procédé de fabrication de cellules OPV sur substrat souple développé au chapitre III (taille du substrat : 15 x 15 mm²)

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IV.3.1.2. Caractérisation des modules photovoltaïques organiques

En préambule je précise que les modules présentés ici ont été fabriqués juste avant l'envoi du manuscrit. Des manipulations sont encore en cours afin d'améliorer les dispositifs. D’après les dimensions du module le GFF n’est que de 65%, notamment à cause des limites imposées par la découpe des masques d’évaporations. Néanmoins des optimisations peuvent encore être faites en modifiant la prise de contact qui laisserait une plus grande marge de manœuvre. Quant à la surface active du module elle va correspondre à celle d’une cellule individuelle qui est de 10 mm², multipliée par le nombre de cellules présentes, soit 3, d’où une surface totale de 30 mm². Un exemple de caractéristique de module fonctionnel est répertorié dans le Tableau IV.6 et sa caractéristique J-V associée est présentée sur la Figure IV.36.

Nom Rs (Ω.cm²) Rp (Ω.cm²) ^Jsc

(mA/cm²) ^{Voc (V) FF (%) η (%)}

Module 1 1,42E+03 819 1,75 1,25 31,06 0,68

Tableau IV.6. Caractéristiques d'un module OPV de 3 cellules connectées en série, réalisé à partir du procédé de fabrication de cellules OPV sur substrat souple développé au chapitre III

Figure IV.36. Courbe J-V sous éclairement d'un module OPV de 3 cellules connectées en série, réalisés à partir du procédé de fabrication de cellules OPV sur substrat souple développé au chapitre III

L’effet photovoltaïque a pu être atteint pour ce module, avec un rendement de conversion de 0,68 %. La tension en circuit ouvert Voc est de 1,25 V, ce qui est proche de la somme des tensions individuelles de chaque cellule (_{0,45 V). Le courant de court-circuit est de 1,75 mA/cm}2

, ce qui est en deçà des valeurs obtenues pour les cellules individuelles. Cependant, ce courant correspond à celui de la cellule la moins performante et étant donné qu'il s'agit d'une manipulation expérimentale préliminaire.

Cette architecture de module a montré qu’elle pouvait fonctionner, à partir de quelques arrangements réalisés sur le procédé de fabrication de cellules OPV sur substrat souple du chapitre

-3 -2 -1 0 1 2 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 J (m A /c m 2) Potentiel (V)

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III. Les moyens utilisés, qui restent notamment limités en termes de dimensionnement des masques et donc de l’alignement des couches, se sont directement répercutés sur les performances photovoltaïques. Une telle architecture ne constitue qu’une preuve de concept, et reste éloignée des objectifs définis dans les parties précédentes à savoir la limitation du nombre d’étapes dans la fabrication ainsi que la tentative d’affranchissement des dépôts sous vide. Néanmoins cela permet de montrer la versatilité offerte par le dépôt par spray avec lequel toutes les architectures peuvent être explorées. Un autre procédé envisagé, plus réaliste du point de vue industriel, va le confronter.

IV.3.2. Procédé basé sur la technique de dépôt par