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La tandem avec la CI normale fonctionne comme attendu : la tension est proche de la

somme des Voc des sous-cellules (il manque 200 mV). Son courant est plus élevé que ne le

laisse penser le test de la cellule simple sous lumière filtrée, suggérant que ce n’est pas la

sous-cellule limitante qui impose son Jsc.

Les tandems aux CI mono-matériau, elles, sont des cellules fonctionnelles. Leurs Voc sont

proches de celles des cellules simples, c’est-à-dire de l’addition des Voc d’une cellule

fonc-tionnelle et d’une cellule court-circuitée, conformément à la théorie détaillée précédemment.

Ainsi, les couches intermédiaires uniques créent un contact électrique ohmique entre une

sous-cellule utile et une sous-cellule court-circuitée. Néanmoins, les écarts de tension sont

étonnants : la Voc de la tandem avec HTL seul est plus élevé que la Voc de la cellule simple

de P2 ; alors que la Voc de la tandem avec ZnO seul est plus basse que celle de sa cellule

simple correspondante (PCDTBT). Cela peut s’expliquer par les positions respectives des

sous-cellules fonctionnelles, mais il faudrait faire des expériences complémentaires pour le

prouver.

Par ailleurs, les Jscdes tandems avec les CI mono-matériau sont remarquablement proches

de celui de la tandem complète, alors qu’on pourrait s’attendre à ce qu’il soit égal à celui de

la sous-cellule fonctionnelle. C’est peut-être une coïncidence : le point de fonctionnement

maximum de la cellule simple de PCDTBT est à 560 mV de tension et 7.7 mA.cm-2, ce qui

correspond parfaitement au courant de la tandem avec ZnO seul. Toutefois ce raisonnement

ne tient pas pour le P2. Pour comprendre dans le détail le fonctionnement des cellules

tandems mono-matériau, des expériences complémentaires seraient nécessaires. Elles n’ont

pas été réalisées car l’objectif du test des couches intermédiaires mono-matériau est déjà

atteint.

Cette expérience met en évidence le deuxième rôle de la couche intermédiaire : permettre le

bon fonctionnement de chaque sous-cellule en en extrayant sélectivement les charges. Dans

les tandems avec les CI mono-matériau, les charges sont bien extraites de l’une des

sous-cellules mais pas de la deuxième, qui sert simplement de transit. Ces résultats démontrent

expérimentalement les conclusions tirées de l’analyse bibliographique initiale.

En conclusion, la couche intermédiaire doit jouer deux rôles. Tout d’abord, extraire

sé-lectivement les charges de chacune des sous-cellules pour permettre une bonne addition

des tensions. Puis, elle doit permettre la recombinaison de ces charges. Extérieurement,

cela correspond à un contact ohmique entre les deux sous-cellules qui se traduit par une

addition des Voc.

7.2 Vérification expérimentale du contact ohmique

Maintenant que le fonctionnement de la couche intermédiaire est clarifié, étudions de quelle

façon vérifier expérimentalement si deux matériaux forment une couche intermédiaire

effi-cace. Pour cela, intéressons nous à deux CI, l’une composée de ZnO/HTL (fonctionnelle),

l’autre de TiOx/HTL (non fonctionnelle). Il a été rappelé au début du chapitre que les deux

oxydes métalliques ont des propriétés physiques très proches (travaux de sortie,

transpa-rence, conductivité).

Une façon de tester le contact ohmique dans une couche intermédiaire sans fabriquer de

tandem est de l’inclure soit dans une cellule simple, soit en sandwich entre deux électrodes.

Figure7.3 – Architecture des dispositifs incorporant les CI : en-dessous de la cellule

simple (gauche), au-dessus de la cellule (centre) et en sandwich entre deux électrodes.

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -10 0 10 20 30 40 J ( m A / c m 2 ) V (V) CI TiOx en-dessous CI TiOx au-dessus CI ZnO en-dessous CI ZnO au-dessus

Figure 7.4 – Courbes J(V) de cellules simples incorporant les CI.

Plusieurs articles [34, 150, 30] emploient l’une ou l’autre de ces méthodes. Dans notre cas,

trois types de cellules sont réalisés pour chaque oxyde, dont les architectures sont exposées

figure 7.3. Les CI sont incorporées en-dessous ou au-dessus de cellules simples de PCDTBT,

ou elles sont simplement prises en sandwich entre deux électrodes.

Les dispositifs apposant simplement des électrodes aux CI donnent des courbes J(V) droites

(non montrées), correspondant à des résistances séries très proches, de l’ordre de 2Ω.cm−2

pour les deux oxydes. Cela suggère que le contact au sein de ces deux CI est ohmique. Les

courbes J(V) représentatives des autres dispositifs sont données figure 7.4.

Quand la CI de TiOx est en-dessous de la sous-cellule, la courbe J(V) résultante présente

une forme en S marquée. Mais cette même CI incorporée au-dessus de la sous-cellule

fonc-tionne très bien. Cette discordance témoigne d’abord qu’il est impératif d’essayer les deux

configurations pour tester convenablement le fonctionnement d’une CI. Dans la

bibliogra-phie, les auteurs n’essayent généralement qu’une seule des deux positions. Leurs conclusions

7.2. Vérification expérimentale du contact ohmique 127

peuvent donc être erronées. Par ailleurs, la comparaison entre les deux positions montre

que la CI de TiOx extrait bien les électrons (la position CI en-haut fonctionne) et permet

leur recombinaison. Par contre, lorqu’elle extrait les trous générés par la CA, elle en

pro-voque l’accumulation, probablement à l’interface HTL / TiOx (puisqu’on sait que l’HTL

extrait bien). Cette observation soulève plusieurs interrogations sur le mécanisme et le lieu

de recombinaison des charges : au sein de quel matériau, ou à quelle interface, les trous

venant de la CA et les électrons fournis par l’électrode se recombinent-ils ? L’accumulation

de charge est-elle due à un type de charge (probablement les trous) qui ne parvient pas à

rejoindre le lieu de cette recombinaison ? Ou bien est-ce que la recombinaison est empêchée

pour une autre raison, à identifier ? En tout état de cause, le contact ohmique doit donc

être considéré séparément pour les électrons et pour les trous.

L’analyse des cellules incorporant le ZnO est plus simple : la CI joue bien son rôle dans les

deux positions. Cependant, comparativement aux 880 - 900 mV de tension d’une cellule

normale, la Voc de ces deux dispositifs est relativement faible : elle vaut 840 mV quand la

CI est au-dessus, et 600 mV quand la CI est en-dessous. Pour ce deuxième cas, si l’on prend

en compte les 250 mV perdus à cause de l’emploi conjugé d’HTL Solar N et de PCDTBT,

on retombe sur la tension du premier cas. L’emploi de la CI ZnO/HTL provoque donc

bien une perte en Voc, estimée ici à une cinquantaine de millivolts. Une perte similaire (de

l’ordre de 100-150 mV) avait été signalée dans les Voc des tandems au paragraphe 6.3 du

chapitre précédent. Dans le chapitre actuel au paragraphe 7.1.2, cette perte s’élevait à 200

mV. Par ailleurs, si l’incorporation de la CI se fait en-dessous d’une cellule simple de P2

(au lieu de PCDTBT), la Vocrésultante est égale à 560 mV (moyenne sur 4 cellules), ce qui

correspond bien à une perte de de 150 mV par rapport aux cellules simples normales (700

mV de Voc). Il existe donc une perte de Voc liée intrinsèquement à la CI de ZnO/HTL,

comprise entre 50 et 150 mV, et qui semble variable.

Une source possible de cette baisse de tension est la résistance série supplémentaire apportée

par la CI. Cette hypothèse permettrait d’expliquer la variabilité des baisses observées.

Cependant, les résistances séries mesurées sur les différents types de cellules ne permettent

pas de conclure qu’elles sont responsables des pertes de tension observées. Par exemple, la

Rs d’une cellule simple de PCDTBT avec TiOxvaut en moyenne 3Ω.cm−2 contre 9Ω.cm−2

pour la série de cellules incorporant la CI ZnO/HTL au-dessus. Mais la Rs retombe à 5

Ω.cm−2 dans le cas où la CI de ZnO est en-dessous. Or dans ce cas également une chute

de Voc est à déplorer.

Les expériences présentées ici n’ont pas été faites pour tester ce paramètre particulier, donc

il est possible que des biais expérimentaux perturbent l’analyse. Il est toutefois notable qu’il

suffit de 10Ω.cm−2supplémentaires à la Rset d’un courant de 10 mA.cm-2pour engendrer

une perte de 100 mV. Or, une variation de 10Ω.cm−2 est vraisemblable. La Rs peut donc

impacter négativement la tension. Des expériences complémentaires sont nécessaires pour

conclure avec certitude. Il est possible que d’autres sources de perte existent, mais elles

n’ont pas été identifiées.

Ceci étant dit, une chute de tension de 150 mV correspond à moins de 10 % de la tension

idéale de nos cellules tandems (900+700 = 1600 mV). Par rapport aux pertes de tension

similaires observées dans les cellules tandems publiées, ce pourcentage est acceptable. Dans

la suite, nous accepterons donc que notre CI ZnO/HTL provoque une baisse de tension

comprise entre 50 mV et 150 mV.

Intégrer les couches intermédiaires dans des dispositifs simples permet donc d’étudier

faci-lement leur comportement et de distinguer les processus relatifs aux électrons ou aux trous.

Dans notre cas, cette expérience permet de tirer plusieurs conclusions. D’abord, notre CI

ZnO/HTL provoque intrinsèquement une baisse de tension. Ensuite, la CI TiOx/HTL

fonctionne convenablement lorsqu’elle extrait les électrons de la couche active, mais pas

lorsqu’elle en extrait les trous. Il en résulte qu’elle n’est pas adaptée à l’usage en cellule

tandem.