2-4 Etude théorique de la cellule solaire
sensibilisée par colorant :
Dans cette section on va, théoriquement, voir les
étapes clés qui amènent à la
génération du photocourant au sein des cellules de Graetzel.
2-4-1 Absorption de la lumière :
L?absorption des photons incidents se fait en posant sur la
surface interne de
l'électrode poreuse avec le TiO2 une couche
spéciale de colorant. La figure 2.2
représente les structures moléculaires de trois
photosensibilisateurs efficaces pour les cellules Graetzel.
Figure 2.2 : Structure de quelques sensibilisants (de
gauche à droite) : ruthénium RuL3, RuL2 (NCS)2 (colorant N3),
RuL= (NCS)3 (la teinture noire).
L'absorption du photosensibilisateur à la surface du
semi-conducteur se fait généralement via des groupes d'ancrage
spéciaux attachés à la molécule de colorant. Dans
le colorant N3, par exemple, ce sont les quatre groupes carboxyliques (COOH)
à la fin des anneaux pyridyle : le COOH forme une liaison avec la
surface du réseau TiO2 en lui donnant un proton (figure2.3).
Figure 2.3 : transfert de charge entre le colorant et le
réseau TiO2 :
1) MLCT excitation, 2) injection électronique, 3)
recombinaison des charge
L'excitation des complexes Ru par absorption de photons est de
type « transfert de charge de métal à ligand » [MLCT
« Métal to Ligand Charge Transfert » en anglais]. Cela veut
dire que la plus haute orbital moléculaire occupant du colorant
[niveau1] est localisée à coté de l'atome
métallique, (Ru dans ce cas) alors que l'orbital moléculaire
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innocupant la plus basse [niveau 2] est localisée dans
l'espèce de ligand, (dans ce cas dans les anneaux bipyridyl).
A l'excitation, un électron est levé à
partir du niveau 1au niveau 2.En outre, le niveau 2 s'étendant
même à des groupes d'ancrage COOH, est spatialement à
proximité de la surface du TiO2, ce qui signifie qu'il y a un
chevauchement du niveau 2 du colorant et la bande de conduction du TiO2 [7].
Cette directivité de l?excitation est l'une des raisons pour laquelle le
processus de transfert d'électrons est très rapide à
l'interface colorant-TiO2.
2-4-2 Séparation de charges :
La séparation de charges dans les cellules Graetzel est
basée sur un processus de transfert d'électrons de la
molécule du colorant au TiO2 et un processus de transport des trous du
colorant ainsi oxydé vers l'électrolyte.
Le mécanisme de transfert d'électrons est
fortement dépendant de la structure électronique de la
molécule absorbante de colorant et de l'adéquation des niveaux
d'énergies entre l'état excité du colorant et la bande de
conduction du TiO2 .
Bien que la séparation de charge dans les jonctions p-n
se fait grâçe à un champ électrique, la situation
dans une DSSC est très différente. La taille individuelle des
particules dans l'électrode nanostructurée, typiquement de
quelque dizaines de nanomètres, est trop petite pour la formation d'une
couche de charge d'espace à l'intérieur de ces particules.
En outre, il n'existe aucun champ électrique significatif
entre les nanoparticules individuelles dans le volume de l'électrode.
Dans ce cas, l'absence d'une bande de flexion est le
résultat de l'individualité de chaque particule nanocristalline :
(un film de nanoparticules suffisamment épais pourrait avoir une charge
d'espace collectif s'il se comporte comme un ensemble). Cependant,
l'électrolyte entourant de manière efficace toutes les
particules, découple ces dernières et les écartent de tous
les champs électriques au sein d'un nanomètre.
Il existe toutefois un champ électrique à
l'interface semi-conducteur/électrolyte en raison du colorant
absorbé (figure 2.3). Les molécules du colorant ont
généralement des groupes acides (COOH) qui jouent le rôle
de système de fixation en libérant un proton (H+)
à la surface de l'oxyde de Titane laissant ainsi la molécule du
colorant chargée négativement. La différence de potentiel
à travers la couche formée (dite Helmholtz) est estimée
à environ 0.3eV, elle aidera à distinguer les charges et à
réduire les recombinaisons.
Le mécanisme majeur pour la séparation des
charges est cependant relié directement au positionnement des niveaux
d'énergie entre la molécule du colorant et les autres
nanoparticules. L'état excité S* du colorant (le niveau 2) est
supérieur à la limite de la bande de conduction du TiO2, et le
niveau 1 de ce même colorant est inferieur au potentiel chimique de la
paire rédox iodure/triiodure (I-/I3 -) dans l'électrolyte. Ces
deux-là présentent une force motrice énergétique
pour la séparation des électrons et des trous.
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