Cellules Solaire Organique : Nouvelles Technologies pour le Future




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, In2O:Sn (ITO), ZnO :Al, SnO:Cd, SnO:F, CdInOx, In2O;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 :

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.
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[15] Hamideh Kermani, Hamid Reza Fallah, Morteza Hajimahmoodzadeh, Physica E 47 (2013) 303-308.
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[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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