Validation optique du programme

Simuler le spectre d’absorption d’un empilement permet de juger avec certitude de la

qualité des indices mesurés. La figure 2.3 montre le spectre d’absorption mesuré

expéri-mentalement d’une couche de PCDTBT : PC71BM de 90 nm déposée sur du verre avec

le protocole standard qui servira pour la confection de cellules, comparé au spectre

d’ab-sorption simulé d’un dispositif identique (indices mesurés par ellipsométrie). La différence

principale tient à la ligne de base des deux spectres. La ligne de base du spectre

expéri-mental est soustraite lors de son acquisition par le spectromètre (grâce à la prise en compte

du substrat de référence), ce qui n’est pas le cas du programme : la réflexion initiale de

la lumière incidente provenant de l’air sur le verre est intégrée au calcul de l’intensité

lu-mineuse atteignant l’empilement de couches. Superposés, les deux spectres sont quasiment

identiques. La simulation surestime légèrement l’absorption du PC71BM (pic à 380 nm).

Le programme de simulation ainsi que le jeu d’indices optiques pour la couche active de

PCDTBT : PC71BM sont donc considérés comme valides.

400 500 600 700 800 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 A b so r b a n ce ( a . u . ) longueur d'onde (nm) Expérience Simulation Simulation - baseline

Figure2.3 – Comparaison des spectres d’absorption expérimentaux et simulés d’une

couche de 90 nm de PCDTBT : PC71BM sur verre.

Il est utile de vérifier également la qualité des indices pour les autres couches qui seront

employées le plus souvent dans les cellules : ITO, PEDOT, et TiOx. La figure 2.4(a)

com-pare les spectres simulés et expérimentaux d’ITO sur du verre (120 nm pour les substrats

classiques). La correspondance simulation - expérience est médiocre pour ce jeu d’indices.

2.2. Données expérimentales et validation du programme 27

En plus de l’inversion des pics et des creux, la longueur d’onde de coupure est décalée de

50 nm.

400 500 600 700 800 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 A b so r b a n ce ( a . u . ) longueur d'onde (nm) Verre/ITO 120 nm - Expérience ITO 120 nm seul - Expérience Verre/ITO 120 nm - Simulation

(a) ITO seul

400 500 600 700 800 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 A b so r b a n ce ( a . u . ) longueur d'onde (nm)

ITO + PEDOT - Expérience ITO + PEDOT - Simulation

(b) PEDOT sur ITO

Figure2.4 – Comparaison des spectres d’absorption simulés et expérimentaux d’une

couche d’ITO, seul et sur du verre (figure a), ainsi que de PEDOT sur de l’ITO (figure

b).

Toutefois, l’impact de ces différences sur le calcul du courant pour les cellules se détermine

en comparant les spectres à la sortie du PEDOT. C’est ce qui est fait sur la figure 2.4(b).

Dans ce cas, la courbe simulée est considéré comme satisfaisante, notamment pour ce qui

est des intensités. Seul demeure le problème du décalage des longueurs d’onde de coupure.

Enfin, les indices pour le TiOx sont évalués de la même manière sur la figure 2.5. Les

comportements expérimental et simulé diffèrent spectaculairement. La simulation croît de

façon exponentielle en deçà de 400 nm vers les petites longueurs d’onde, en plus d’avoir une

absorbance non négligeable entre 400 et 700 nm, inexistante expérimentalement. Toutefois,

comme il sera vu plus tard (section 3.4.4 du chapitre 3), le TiOx dans les cellules n’est

déposé qu’à des couches très fines, de l’ordre de 10-15 nm. À ces épaisseurs, la simulation

de courant n’est pas affectée par l’absorbance du TiOx: le courant de court-circuit simulé

d’une cellule simple à base de PCDTBT : PC71BM avec du TiOx absorbant est de 10.46

mA.cm-2, et passe à 10.48 mA.cm-2 si l’absorbance du TiOxest fixée à zéro. La différence

est négligeable.

Pour achever la validation des indices et du programme de simulation, les spectres

d’ab-sorption de cellules typiques sont simulés et comparés à leurs équivalents expérimentaux.

Les cellules ont l’architecture suivante : ITO (120 nm) / PEDOT (40 nm) / PCDTBT :

PC71BM (variable) / TiOx (10 nm) / Al. Les résultats sont donnés dans la figure 2.6.

Pour la cellule avec une couche active de 80 nm, la simulation correspond très bien à la

réalité pour la partie du spectre allant de 800 nm à 450 nm. En deçà, les absorptions

excédentaires de chacune des couches s’additionnent et la hauteur du pic à 380 nm est

surestimée d’environ 50%. La très forte absorption entre 350 nm et 380 nm qui n’existe

pas dans la réalité est principalement dûe au TiOx et au PEDOT. La surestimation par

sur-300 400 500 600 700 800 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 A b s o r b a n c e ( a . u . ) Longueur d'onde (nm ) TiOx 20 nm - Expérience TiOx 20 nm - Simulation

Figure2.5 – Comparaison des spectres d’absorption expérimentaux et simulés d’une

couche de 20 nm de TiOx

400 500 600 700 800 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 A b s . ( a . u . ) Longueur d'onde (nm )

Sim ulation 80 nm - baseline Expérience 80 nm

(a) Couche active de 80 nm

400 500 600 700 800 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 A b s ( a . u . ) Longueur d'onde (nm ) Sim 190nm - baseline Exp 190 nm Sim 290 nm - baseline Exp 290 nm

(b) Couches actives de 190 et 290 nm

Figure 2.6 – Comparaison des spectres d’absorption simulés et expérimentaux de

2.2. Données expérimentales et validation du programme 29

absorption des autres couches sur le calcul du courant. Pour les cellules plus épaisses,

l’absorption est surestimée sur l’ensemble de la gamme spectrale (de l’ordre de 10% à 15%

dans la gamme 450 nm - 600 nm). La soustraction de la ligne de base atténue à peine les

différences, et l’absorption est nettement surestimée pour la partie 350 - 400 nm (environ

25% et 20% à 380 nm pour les cellules à 190 nm et 290 nm d’épaisseur respectivement).

Cependant, les formes des courbes correspondent globalement aux expériences.

En conclusion, les jeux d’indices optiques sont suffisamment satisfaisants pour que les

simulations correspondent raisonnablement à la réalité, quantitativement pour la majeure

partie de la gamme spectrale 400 - 800 nm, et au moins qualitativement pour la gamme

350 - 400 nm. De plus, la capacité du programme à simuler correctement des spectres

d’absorption est validée.

Dans le document Conception, caractérisation et durée de vie de cellules photovoltaïques organiques tandems à base de PCDTBT (Page 41-44)