La filière photovoltaïque peut être classée en trois catégories
majeures : les cellules inorganiques, organiques et hybrides. Concernant
les cellules organiques, elles sont composées, essentiellement, par deux
électrodes (cathode et anode) et une couche active. Cette dernière diffère
selon la nature du matériau organique utilisé. La cathode est un métal (Ag, Al,
Cu,…) alors que l’anode doit être, à la fois, transparente (pour laisser passer
la lumière) et conductrice (pour collecter les porteurs de charges).
I.1- Les anodes à base d’oxyde transparent conducteur (OTC ou TCO
« Conductive Transparent Oxide »)
I.1.1- Qu’est-ce qu’un OTC
La découverte des Oxydes Transparents Conducteurs (OTC) remonte au
début du vingtième siècle, quand Bädeker [1,2] a constaté que les couches
minces d’oxyde de Cadmium (CdO) déposées à l’intérieur d’une chambre à décharge
luminescente était à la fois conductrices et transparentes. Cette première
observation a donné naissance à un thème de recherche nouveau qui demeure après
un siècle un sujet d’actualité. De nombreux matériaux OTC sont apparus ensuite,
citons en particulier In2O3, SnO2, ZnO, Cd2SnO4,
CdSnO2, In2O3 :Sn (ITO), ZnO :Al,
SnO2 :Cd, SnO2 :F, CdInOx, In2O3 ;F…etc.
L’obtention de tels matériaux, présentant un bon compromis entre
transparence à la lumière visible et bonne conductivité électrique, constitue
un enjeu industriel important. Ces OTC sont des matériaux très utilisé, car
beaucoup d’applications recherchent cette combinaison de la transparence
optique avec la conductivité électrique. Quelques-unes de ces applications sont
listées ci-dessous :
-
Ecrans
plats, fenêtres anti-gel, fenêtres réfléchissants la chaleur (bâtiments, four,
etc…), miroirs et fenêtres électrochromiques, écrans de contrôle tactiles,
protection électromagnétique, dissipation des charges électrostatiques.
-
Cellules
solaires : comme contact avant à travers lequel la lumière doit passer à
fin d’entrer dans la cellule solaire.
I.1.2- L’utilisation des OTC comme anode
Les oxydes transparents et conducteurs (OTCs) les plus étudiés en
tant qu’électrodes dans les cellules solaires organiques sont principalement
l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), l’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO) ou
encore l’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO). Aujourd’hui, l’ITO demeure le
plus utilisé en raison de ses excellentes propriétés optiques et électriques, comparé
aux autres OTCs. Cependant, il présente des inconvénients comme la rareté de
l’indium, son coût très élevé (dans les cellules solaires, une anode en ITO
représente environ 50% du prix du dispositif), ses propriétés mécaniques peu
adaptées à l’utilisation de substrats flexibles, ou encore des techniques de
dépôts destructives pour les matériaux organiques (chauffage du substrat ou
recuit thermique à haute température).
Des travaux avec une architecture tri-couches ITO/métal/ITO ont
permis d’améliorer considérablement le compromis conductivité/transmission et
de diminuer significativement la quantité d’ITO nécessaire. En utilisant
l’argent (Ag) comme couche métallique intermédiaire (10 nm à 16 nm), la
transmission des électrodes ITO/Ag/ITO varie entre 80% et 90%, avec des valeurs
de résistances carrées comprises entre 4 et 15 Ω/sq [3,4]. D’autres métaux
comme le cuivre (Cu) et l’or (Au) ont aussi été utilisés [5,6] : une
transmission de 88% avec une résistance carrée de 6 Ω/sq est obtenue en utilisant
une couche de 16 nm de Cu [7], une transmission de 76% avec une résistance
carrée de 20 Ω/sq est obtenue en utilisant une couche de 20 nm d’Au [8].
L’utilisation des électrodes ITO/métal/ITO dans les cellules solaires
organiques a permis d’améliorer les rendements grâce à une transmission
optimale dans le domaine d’absorption de la couche active [9]. En ce qui
concerne la rareté de l’indium, il est vrai que l’utilisation de films très
minces d’ITO dans une structure tri-couches permet de réduire considérablement
la quantité d’indium, mais une pénurie de l’indium est tout de même prévisible
à moyen terme. De plus, le coût de l’indium est très élevé avec la percée du
marché des panneaux photovoltaïques de CIGS (Cu(In,Ga)Se2). Ces éléments
d’ordre économique incitent à chercher des nouvelles électrodes conductrices et
transparentes sans indium.
I.2- Etat de l’art des électrodes à base d’OTC sans Indium
Devant le coût élevé de l’Indium, et malgré les bonnes propriétés
optiques et électriques des OTC à base d’Indium, les chercheurs commencent ces
dernières années à élaborer des oxydes sans Indium en essayant d’aboutir aux
mêmes propriétés. De ce fait, des électrodes tri-couches sont étudiées en
introduisant une fine couche de métal entre les deux oxydes pour obtenir la
structure tri-couches Oxyde/Métal/Oxyde. On récapitule dans le tableau suivant :
Référence
Electrodes
|
Techniques de dépôt
|
T (%)
|
Rsq (Ω)
|
PET/MoO3(17,5nm)Ag(11nm)/MoO3(35nm)
|
Evaporation thermique
|
84
|
13 [10]
|
Verre/ZnO(20nm)/Ag(9nm)/MoO3(10nm)
|
Pulvérisation (RF et DC)
|
50
|
3 [11]
|
Verre/MoO3(30nm)/Al(15nm/MoO3(5nm)
|
Evaporation thermique
|
65
|
7 [12]
|
Verre/AZO(36nm)/Ag(19nm)/AZO(36nm)
|
Pulvérisation RF
|
93
|
4,4 [13]
|
Verre/TiO2(42nm)/Ag(10nm)/TiO2(42nm)
|
Pulvérisation RF
|
89
|
4,48 [14]
|
Verre/ZnS(30nm)/Ag(12nm)/MoO3(45nm)
|
Evaporation thermique
|
80
|
4,5 [15]
|
Verre/WO3(30nm)/Ag(15nm)/WO3(5nm)
|
Evaporation thermique
|
80
|
3,5 [16]
|
Verre/WO3/Ag(15nm)/MoO3
|
Evaporation thermique
|
81,7
|
9,75 [17]
|
Verre/TiO2(40nm)/Ag(18,8nm)/TiO2(40nm)
|
Pulvérisation RF
|
95
|
3,7 [18]
|
Verre/TiO2(45nm)/Ag(17nm)/TiO2(45nm)
|
Pulvérisation RF
|
94,6
|
3,31 [19]
|
Verre/MoO3(20nm)/Ag(10nm)/MoO3(35nm)
|
Evaporation thermique
|
86
|
- [20]
|
Verre/TiO2(40nm)/Ag(19nm)/TiO2(40nm)
|
Pulvérisation RF
|
90
|
4 [21]
|
Verre/ZnS(35nm)/Ag
(17nm)/ZnS(35nm |
Evaporation thermique
|
79,2
|
8 [22]
|
Référence
[1] K. Badeker, Electrical Cnductivity and Thermo-Electromotive
Force of Source Metallic Compounds, Ann. Phy. 22, 749 (1907)
[2] A. Thelen, H. Köng, Elektrische Leitfähigkeit und Struktur
aufgestäubter Indiumoxydschichten, Naturwissenschaften, 43, 297 (1956)
[3]
M. Chakaroun, B. Lucas, B. Ratier, C. Defranoux, J. P. Piel, and M. Aldissi,
Thin Solid Films 518, 1250 (2009).
[4]
J. Lewis, S. Grego, B. Chalamala, E. Vick, and D. Temple, Appl. Phys. Lett. 85,
3450 (2004).
[5]
Y.-S. Park, H.-K. Park, J.-A. Jeong, H.-K. Kim, K.-H. Choi, S.-I. Na, and D.-Y.
Kim, J. Electrochem. Soc. 156, H588 (2009).
[6]
D. Kim, Appl. Surf. Sci. 256, 1774 (2010).
[7]
C. Guillén and J. Herrero, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92, 938 (2008).
[8]
M. Chakaroun, B. Lucas, B. Ratier, and M. Aldissi, Energy Procedia 31,
102 (2012).
[9]
J.-A. Jeong and H.-K. Kim, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 93, 1801
(2009).
[10] T. Abachi, L. Cattin, G. Louarn, Y. Lare, A. Bou, M. Makha, P.
Torchio, M. Fleury, M. Morsli, M. Addou, J.C. Bernède, Thin Solid Films 545
(2013) 438-444.
[11] Hyung Woo Choi, N. David Theodore, T. L. Alford, Solar Energy
Materials & Solar Cells 117 (2013) 446-450.
[12] Hsin-Wei Lu, Ching-Wen Huang, Po-Ching Kao, Sheng-Yuan Chu,
Applied Surface Science 347 (2015) 116-121.
[13] Jun Ho Kim, Yoon-Jong Moon, Sun-Kyung Kim, Young-Zo Yoo,
Tae-Yeon Seong, Ceramics International 41 (2015) 14805-14810.
[14] Zhao Zhao, T.L. Alford, Solar Energy Materials & Solar
Cells 157 (2016) 599-603.
[15] Hamideh Kermani, Hamid Reza Fallah, Morteza Hajimahmoodzadeh,
Physica E 47 (2013) 303-308.
[16] Shun-Wei Liu, Tsung-Hao Su, Po-Chien Chang, Tzu-Hung Yeh, Ya-Ze
Li, Ling-Jie Huang, Yu-Hui Chen, Chun-Feng Lin, Organic Electronics 31 (2016)
240-246
[17] Mehdi Zadsar, Hamid Reza Fallah, Morteza Haji Mahmoodzadeh,
Seyed Vahid Tabatabaei, Journal of Luminescence 132 (2012) 992-997.
[18] Jun Ho Kim, Dae-Hyun, Kim, Tae-Yeon Seong, Ceramics
International 41 (2015) 3064-3068.
[19] Jae-Ho Kim, Dae-Hyun Kim, Sun-Kyung Kim, Dukkyu Bae, Young-Zo
Yoo, Tae-Yeon Seong, Ceramics International 42 (2016) 14071-14076.
[20] D. –T. Nguyen, S. Vedraine, L. Cattin, P. Torchio, M. MorsliF.
Flory, J.C. Bernède, Journal of Applied Physics 112, 063505 (2012).
[21] Jun Ho Kim, Han-Kyeol Lee, Jin-Young Na, Sun-Kyung Kim,
Young-Zo Yoo, Tae-Yeon Seong, Ceramics International 41 (2015) 8059-8063.
[22] M. Neghabi, A. Behjat, S.M.B. Ghorashi, S.M.A. Salehi, Thin
Solid Films 519 (2011) 5662–5666.
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