RRREEEPPPUUUBBBLLLIIIQQQUUUEEE AAALLLGGGEEERRRIIIEEENNNNNNEEE DDDEEEMMMOOOCCCRRRTTTIIIQQQUUUEEE EEETTT PPPOOOPPPUUULLLAAAIIIRRREEE UUNNIIVVEERRSSIITTEE AABBOOUU-BBAAKKRR BBEELLKKAAIIDD TTLLEEMMCCEENN FACULTE DES SCIENCES DDEEPPAARRTTEEMMEENNTT DDEE PPHHYYSSIIQQUUEE UUNNIITTEE DDEE RREECCHHERRCCHHEE MMAATTEERRIIAAUUXX EETT EENNEERRGGIIEESS RENOUVELABLES MMEEMMOOIIRRE DE MASTER EEENNN PPPHHHYYYSSSIIIQQQUUUEEE EEENNNEEERRRGGGEEETTTIIIQQQUUUEEE EEETTT MMMAAATTTEEERRRIIIAAAUUUXXX Présenté par : Mr BENAHMED AAbbddeellmmoouummeennee && MMrr TTEEMMIIMMII mahmoud Thème : EETTUUDDEE DDEESS PPRROOOOPPRRIIEETTEEEESS EELLEECCTTRRIIQQUUEESS DDEESS CCEELLLLUULLEESS PPHHOOOOTTOOVVOOLLTTAAIIQQUUEESS OORRGGAANNIIQQUUEESSSS Soutenu le 06 /07/2011 ddeevvaanntt le jury composé de : Mr.ZERGA Abdellatif président MMaaiittrree ddee ccoonnfféérreennccee U.A.B.Tlemcen Mr.CHAEBANE SARI Examinateur Profésseur U.A.B.Tlemcen Nesr-eddine Mr.BENYOUCEF Abdellah Examinateur Maitre ddee ccoonnfféérreennccee U.A.B.Tlemcen Mm.RAHMOUUNN..KKhhaaddiijjaa ddiirreecctteeuur de mémoire MMaaiittrree ddee ccoonnfféérreennccee UU..AA..BB..TTlleemmcceenn AAnnnnééee uunniivveerrssiittaaiirree : 2010-2011 Listes de figures Figure I.1: Schema equivalent d'une photopile………………………………………..6 Figure I.2 : Schéma equivalent d’un effe photovoltaique……………………………..7 Figure I.3 : Concept de base d’une cellule photovoltaïque…………………………..13 Figure I.4 : Schéma électrique d’une photopile……………………………………...14 Figure I.5 : Caractéristique courant-tension et grandeurs physiques associées……...16 Figure II.1 : La ligne bleue en pointillés correspond au parcours des trous dans le matériau…………………………………………………………………………..…...22 Figure II.2 : Evolution des niveaux d’énergie en fonction de la longueur de conjugaison……………………………………………………………………………24 Figure II.3: Exemples de petites molécules semi-conductrices……………………...26 Figure II.4: Exemples de polymères semi-conducteurs………………………………26 Figure II.5 : Représentation simplifiée des mécanismes physiques mis en jeu dans les cellules photovoltaïques organiques…………………………………………………..27 Figure II.6 : Illustration de la différence entre un exciton de type Wannier (gauche) et un exciton de type Frenkel (droite)…………………………………………………..28 Figure II.7 : Schéma de bande du mélange accepteur-donneur, avec la différence LUMO -LUMO notée φ……………………………………………………………...29 d a Figure II.8 : Schéma de bande d'une jonction PN (gauche) et structure d'un dispositif type à jonction PN…………………………………………………………………….31 Figure II.9 : Structure d'un dispositif type à hétérojonction…………………………32 Figure II.10 : Exemple de structure d’une cellule tandem...…………………………34 Figure III.1 : Structure type des cellules solaires organiques réalisées pour cette étude..................................................................................................................………43 Figure IV.1 : Organigramme du calcul des paramètres de la caractéristique J-V……………..…55 Figure VI.2 : schéma de la structure (HJV) organique utilisée dans toutes les simulations……....57 Figure VI.3 : les caractéristiques I=F(v) pour les deux cas : expérimental et simulé…………….58 Figure VI.4 : l’effet de la variation de Rs sur les caractéristiques I-V pour le P3HT :PCBM……..59 Figure VI.5 : Variation (η) et (FF) en fanction de R pour P3HT/PCBM…………..…………...60 s Figure VI.6 : L’effet projeté de R sur (J ) et (FF) pour P3HT/PCBM…………………………..61 s sc Figure VI.7 : schéma de la structure tandem organique utilisée dans toutes les simulations………62 Figure VI.8 : les caractéristiques I=F(v) pour les deux cas : expérimental et simulé…….……….63 Figure VI.9 : l’effet de la variation de Rs sur les caractéristiques J-V pour le P3HT :PCBM….….64 Figure VI.10 : L’effet projeté de R sur (η) et (FF) pour Tandem……………………………...…64 s Figure VI.11 : L’effet de Rs sur l’efficacité des cellules P3HT/PCBM et Tandem……………..………….65 LLLLiiiisssstttteeee ddddeeeessss ssssyyyymmmmbbbboooolllleeeessss uuuuttttiiiilllliiiissssééééssss E Bas de la bande de conduction C E Largeur de la bande interdite g E Niveau de Fermi F E Haut de la bande de valence V W Travail de sortie Φ(λ) Éclairement η Rendement de conversion photovoltaïque IPCE Efficacité quantique externe J Densité de courant de saturation en tension inverse CC J Densité de courant de court-circuit S L Longueur de diffusion des excitons Dext P Puissance maximale délivrée par la cellule MAX R Résistance série S R Résistance shunt SH V Tension de circuit ouvert CO V Potentiel de jonction bi FF facteur de forme de la cellule solaire η l'efficacité de transfert de charges TC η l’efficacité de collecte des charges libres aux électrodes CC η l'efficacité d’absorption du matériau A h la constante de Plank c la vitesse de la lumière λ la longueur d’onde K constante de Boltzman B Sommaire Introduction générale : .................................................. Erreur ! Signet non défini. I. Introduction: .............................................................. Erreur ! Signet non défini. Historique : ................................................................... Erreur ! Signet non défini. II. L’effet photovoltaïque............................................... Erreur ! Signet non défini. II.1 Technique de fabrication .................................. Erreur ! Signet non défini. III. Principaux types de cellules solaires .................... Erreur ! Signet non défini. III.1 Cellules photovoltaïques inorganiques: .......... Erreur ! Signet non défini. III.2 Cellules photovoltaïques organiques .............. Erreur ! Signet non défini. III.3 Avantages et inconvénients des cellules solaires :Erreur ! Signet non défini. IV. Grandeurs caractéristiques ................................... Erreur ! Signet non défini. IV.1 Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque Erreur ! Signet non défini. IV.2 Circuit électrique équivalent ........................... Erreur ! Signet non défini. IV.3 Paramètres Photovoltaïques extraits de la caractéristique I-V :Erreur ! Signet non défini. Conclusions ...................................................................... Erreur ! Signet non défini. Introduction générale INTRODUCTION GENERALE : L'énergie solaire est l'énergie renouvelable par excellence. Respectueuse de l'environnement, elle présente de nombreux avantages spécifiques en raison notamment de l’épuisement prévisible des ressources d’énergies fossiles et de la montée des problèmes liés à la dégradation de l’environnement. L’énergie photovoltaïque a connu un développement formidable en l’espace de 50 ans. La recherche spatiale a permis de financer les recherches initiales. La compréhension des phénomènes physiques qui a découlée de ces recherches a permis a de nombreux matériaux d’être développes avec succès par la suite, et petit a petit, avec la baisse du cout des matières utilisées et une meilleure maitrise de la technologie, les panneaux photovoltaïques ont quitte l’espace pour être utilises sur la Terre. Les politiques d’incitation gouvernementales ont permit l’essor de cette filière arrivée a maturité qui connait depuis maintenant 20 ans des taux de croissance a deux chiffres. Les matériaux utilisés dans un premier temps par ces cellules photovoltaïques étaient essentiellement inorganiques : aujourd’hui encore le matériau le plus couramment utilise reste le silicium, malgré la concurrence toujours plus rude des tellurures de cadmium, des chalcogénures et autres Arséniure de Gallium. Cependant des le début des années 80, un nouveau type de matériau voit le jour : l’effet photovoltaïque peut en effet être obtenu a partir de molécules organiques. Ces nouveaux matériaux portent de grands espoirs : ils sont peu onéreux à fabriquer en grande quantité et ouvrent la voie à des volumes de production bien plus importants que leurs cousins inorganiques. C’est dans ce contexte de développement des semi-conducteurs organiques pour les applications photovoltaïques et avec pour objectif de toujours valoriser l’avantage de ces derniers sur leurs homologues inorganiques (une grande vitesse de production rendue possible par le dépôt en voie humide en continu) que ce travail a été initie par la société Sony et plus particulièrement son site de Dax nomme Dax Tec. Dans ce travail nous avons collecté une base de données contenant différentes propriétés électriques des cellules photovoltaïques organiques à fin d’essayer de trouver s’il existe un lien évident entre le rendement de ces cellules photovoltaïques organiques, et ces résistances séries. La présentation de ce travail va donc s’articuler autour des chapitres suivants : • Le premier chapitre est consacré à la présentation générale sur les cellules photovoltaïques. 2 Introduction générale • Le deuxième chapitre présente des généralités sur les cellules photovoltaïques organiques • Le troisième chapitre porte une élaboration d’une cellule (opv) :P3HT/PCBM. • Le quatrième chapitre traite la relation de rendement de quelques cellules (opv) avec l’une de ces propriétés électriques. 3 Chapitre I Généralité sur les cellules photovoltaiques I.INTRODUCTION: La technologie photovoltaïque (PV) transforme l'énergie solaire en énergie électrique à l'aide de semi-conducteurs. C'est la technologie qui a le plus grand potentiel, mais aussi qui nécessite le plus de développement technique. Cette technologie est à la base des cellules solaires photovoltaïques qui ont sérieusement commencer à être étudiées depuis les années 1950 quand la première cellule solaire à base de silicium cristallin, avec un rendement de 6%, a été développée dans les laboratoires Bell. Mais en dépit de l'intérêt des scientifiques pendant des années, ce n'est que lors de la course vers l'espace que les cellules solaires trouvèrent leurs premières applications dans l'alimentation des satellites. Historique : Le découverte de l'effet photovoltaïque est communément attribuée au physicien Becquerel, qui observa un photo-courant quand des électrodes en platines, recouvertes de bromure d'argent ou de chlorure d'argent, sont illuminées dans une solution aqueuse. En 1873 et 1876, Smith et Adams déposèrent respectivement les premiers rapports sur la photoconductivité en travaillant sur du silicium. L'anthracène était le premier composant organique où la photoconductivité a été observée par Pochettinon en 1906 et Volmer en 1913, et dans la fin des années 1950, l'utilisation potentielle de matières organiques comme photorécepteurs de systèmes d’imagerie a été reconnue. En 1954, la première cellule solaire inorganique a été développée dans les laboratoires Bell. Elle était basée sur le Si et avait un rendement de 6%, ainsi l'intérêt scientifique et le potentiel commercial a conduit à l'accroissement de la recherche en photoconductivité. En 1986, Tang publia la première hétérojonction organique, suivie 5 ans plus tard par Hiramoto qui concevra la première structure interpénétrée à base de petites molécules par co- évaporation. Trois ans plus tard, la première hétérojonction dans le volume a été attribuée à Yu. Ce dernier fabriqua avec la collaboration de Hall la première hétérojonction en 1995. 5 Chapitre I Généralité sur les cellules photovoltaiques En 2001, Shmidt-Mende réalisèrent une cellule solaire auto-assemblée à base de cristaux liquides de hexabenzocoronene et pérylène, et quelques années plus tard, les avancées scientifiques et technologiques sont telles qu'en 2008, l'entreprise Fujikura (fabriquant de composés électroniques) est parvenue à faire fonctionner une cellule photovoltaïque organique de type DSSC (Dye-Sensilized Solar Cell ou cellule Gratzel) en continu à une température de et à un taux d'humidité de 85% pendant 1000 heures. Avec l'amélioration du rendement de conversion et la réduction des coûts de production, le marché photovoltaïque s'est considérablement développé durant ces dernières années, et la substitution du silicium par les matériaux organiques est considérée comme une alternative prometteuse pour diverses raisons: faible coût, matière première illimitée, facilité de mise en œuvre, technologie de basse température, grandes surfaces, dispositifs souples... II. L’EFFET PHOTOVOLTAÏQUE L’effet photovoltaïque" est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés "semi- conducteurs", (le plus connu est le silicium utilisé pour les composants électroniques). Cet effet voltaïque a été découvert pour la première fois en 1839 par le physicien Alexandre-Edmond Becquerel. Lorsque les "grains de lumière" (les photons) heurtent une surface mince de ces matériaux, ils transfèrent leur énergie aux électrons de la matière. Ceux-ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, créant ainsi un courant électrique qui est recueilli par des fils métalliques très fins. Ce courant peut être ajouté à celui provenant d’autres dispositifs semblables de façon à atteindre la puissance désirée pour un usage donné. Figure I.1: Schema equivalent d'une photopile 6 Chapitre I Généralité sur les cellules photovoltaiques L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel: le courant électrique circule (figure I.2).L’effet repose donc à la base sur les propriétés semi-conductrices du matériau et son dopage afin d’en améliorer la conductivité. Figure I.2 : Schéma equivalent d’un effet photovoltaique Le silicium employé aujourd’hui dans la plupart des cellules a été choisi pour la présence de quatre électrons de valence sur sa couche périphérique (colonne IV du tableau de 7