Utilisation du polystyrène dans la couche active

Plusieurs ratios massiques calculés par rapport à la masse totale de matériaux donneur et accepteur ont été testés, allant de 1% à 20%. Des cellules photovoltaïques ont été préparées

avec ces différentes solutions, les performances photovoltaïques sont présentées en figure 4.29.

Fig. 4.29: Densité de courant mesurée dans le noir à -0,9V pour des cellules faites à base de p-DTS(FBTTh2)2 : PC61BM avec du ZnO NPs (a) ou du ZnO sol-gel (c) comme CTE. PCE des cellules faites à base de p-DTS(FBTTh2)2 : PC61BM avec du ZnO NPs (b) ou du ZnO sol-gel (d) comme CTE.

On remarque qu’un simple ajout de 1% de PS dans la CA à base de petites molécules est

suffisant pour réduire significativement les courants de fuite des cellules solaires inverses faites

4.3. Comparaison entre deux types de couche active : à base de P3HT et à base de p-DTS(FBTTh₂)₂ 121

courants de fuite sont abaissés de plus d’un ordre de grandeur. Si l’on continuer d’augmenter le pourcentage de PS au sein de la CA, il est possible de réduire de deux ordres de grandeur les courants de fuite. Dans le cas des cellules faites avec une CTE de ZnO sol-gel, une légère réduction des courants de fuite est aussi observée. Cet abaissement des courants de fuite a pour conséquence directe d’améliorer les performances photovoltaïques des cellules faites avec une

CTE de ZnO NPs. En effet, un PCE de 4,7% est obtenu avec ajout de 2,5% de PS contre 2,1%

sans PS. Cette valeur de PCE est alors comparable à celle obtenue avec une CTE de ZnO sol-gel. L’amélioration des performances photovoltaïques est liée à la baisse des courants de fuite qui est, elle-même liée à une meilleure qualité de film. Pour confirmer cette hypothèse, la CA déposée sur une surface de ZnO NPs a été à nouveau observée au microscope (Fig. 4.30). Les CA faites avec 0%, 2,5% et 15% de HMPS ont été observées. Il est important de noter qu’une image correspond en réalité à la juxtaposition de 6 images microscopes réalisées avec un grossissement x10. Ceci a été réalisé afin d’obtenir une bonne estimation des points de démouillage situés au niveau de la CA.

Fig. 4.30: Images réalisées au microscope optique de la CA à base de p-DTS(FBTTh₂)₂déposée sur une surface de ZnO NPs. a. Images de la couche active contenant 0% de HMPS. b. Images de la couche active contenant 2,5% de HMPS. c. Images de la couche active contenant 15% de HMPS.

Les points de démouillage de la CA déposée sur une surface de ZnO NPs ont également été caractérisés comme précédemment. Leurs caractéristiques sont présentées dans le tableau 4.3. On remarque que l’ajout de 2,5% de HMPS réduit significativement le nombre de points de dé-mouillage au sein de la CA et permet d’atteindre un nombre comparable à celui obtenu avec une

CTE de ZnO sol-gel. L’ajout de 15% de HMPS permet d’obtenir un film très homogène, com-parable alors à celui obtenu sur une couche de PEDOT : PSS. Cependant, une si grande quantité de polymère isolant tel que le PS abaisse les performances photovoltaïques des cellules. Ainsi, afin d’obtenir un bon compromis entre la qualité du film et les performances photovoltaïque, il est préférable d’utiliser une plus faible quantité de PS, entre 1 et 5%.

Pourcentage massique de HMPS

Points de démouillage dans la CA Nombre de points ^Surface Fraction surfacique (mm−2) (µm2) (%) 0% 17 113 0,19 2,5% 11 102 0,11 15% 10 59 0,06

Tab. 4.3: Caractérisations des points de démouillage au sein de la CA à base de p-DTS(FBTTh2)2 dépo-sée à la tournette en fonction du pourcentage massique en HMPS dans la CA.

Intéressons nous plus particulièrement à l’effet de la masse molaire du PS sur les

perfor-mances photovoltaïques. Entre 1% et 5% de PS dans la CA, un effet similaire sur les courants

de fuite et les performances est observé. Dans cette gamme de pourcentage, pas d’effet

signi-ficatif sur la viscosité a été observé. De même que l’épaisseur de la CA reste sensiblement la même (Fig. 4.31).

Fig. 4.31: Effet du type et de la concentration en PS sur l’épaisseur de la CA.

Cependant, au delà de 10% de PS dans la CA, un comportement différent est observé. Dans

le cas d’un ajout de HMPS, le PCE est altéré de manière importante. En effet, les dispositifs

préparés avec 20% de LMPS ont permis d’obtenir un PCE de 3,4% tandis que ceux fabriqués avec le même pourcentage de HMPS ont conduit à un PCE de seulement 2,1%. L’ajout de 20%

4.3. Comparaison entre deux types de couche active : à base de P3HT et à base de p-DTS(FBTTh₂)₂ 123

de PS dans la CA conduit à des épaisseurs respectives de 165 nm et 235 nm. L’examen des paramètres photovoltaïques montrent que les cellules faites avec 20% de HMPS présentent un faible PCE dû à une chute du J sc et du FF (Fig. 4.32 et Fig. 4.33). La perte de performances

photovoltaïques pourrait être causée par une modification de la morphologie et/ou un mauvais

transport de charge au sein de la couche épaisse. Plusieurs travaux ont déjà été conduits sur

l’ajout de polymères isolants dans la CA de cellules à base de polymères donneurs[234, 134, 235]

et le même phénomène a déjà été observé par Rodrigues et al.[235]qu’un ajout inférieur à 10%

de poly(4-vinylpyridine) (PVP) permet d’améliorer légèrement le Voc de cellules faites avec

du APFO-3 : PC₆₁BM. Cependant, au delà de cette valeur, l’ajout de PVP altére radicalement

la morphologie de la CA et donc les performances photovoltaïques. L’intégration de

MDMO-PPV : PC61BM dans une matrice de PS[234]a également été étudiée. Il a été montré qu’il était

possible d’ajouter 10% de PS dans la CA sans altérer les performances photovoltaïques des cellules. Cependant, au delà de 10% de PS dans la CA, les performances chutent. Un autre

travail réalisé par Lamont et al.[134] visant à régler la viscosité de solutions de CA sans

sol-vants halogénés, a montré qu’une trop grande quantité de PS pouvait conduire à une chute des performances. Nous montrons dans ces travaux, que les mêmes conclusions peuvent être tirées concernant l’ajout de PS dans des cellules à base d’une petite molécule donneuse telle que la

p-DTS(FBTTh₂)₂.

Fig. 4.32: Paramètres photovoltaïques des cellules solaires réalisées avec différents ratios de PS en struc-ture inverse avec du ZnO NPs comme CTE

Fig. 4.33: Paramètres photovoltaïques des cellules solaires réalisées avec différents ratios de PS en struc-ture inverse avec du ZnO sol-gel comme CTE

Dans cette section, nous avons montré que les faibles propriétés filmogènes de la petite mo-lécule pouvait induire des problèmes de démouillage lorsqu’elle était utilisée sur des surfaces relativement rugueuses. Il a également été montré que la morphologie de l’interface utilisée pour le dépôt de CA à base de petites molécules peut être un paramètre critique. Ainsi, la couche à base ZnO NPs accroît la formation de points de démouillage dans la CA, ce qui entraîne d’im-portants courants de fuite au sein des cellules et donc des performances photovoltaïques faibles. Nous avons alors montré que le problème rencontré sur de telles surfaces pouvait être résolu en améliorant les propriétés filmogènes de la solution de petites molécules. Un simple ajout de

polymère isolant, tel que le PS, est un moyen efficace d’améliorer la qualité des films réalisés

avec des petites molécules. De ce fait, l’addition de PS à la CA peut résoudre les problèmes de dépôt de la petite molécule sur les surfaces rugueuses comme celle de ZnO NPs, utilisée dans ces travaux. Cependant, même si ajouter une grande quantité de PS diminue considérablement les courants de fuite, cela entraîne également une importante chute des performances

photovol-taïques. Un compromis entre un effet filmogène et de bonnes performances photovoltaïques a