III.6. Principe de fonctionnement des cellules
photovoltaïques organiques
Les photons absorbés dans les semi-conducteurs
inorganiques, seuls utiles à la génération de l'effet
photovoltaïque, sont ceux dont l'énergie hí est
supérieure ou égale au gap du matériau. L'énergie
absorbée crée alors des paires électron- trou
(génération directe des porteurs libres) qui se séparent
en présence d'une barrière de potentiel (barrière Schottky
ou jonction PN) [06-07]. Ce processus est différent dans les
matériaux organiques à cause de leurs structures
désordonnées. Dans ces matériaux, l'absorption des photons
crée des excitons (au lieu des porteurs libres) qui se dissocient en
présence d'un champ électrique. Il est donc difficile d'appliquer
la théorie développée dans le cas des matériaux
inorganiques aux organiques.
Energie
Niveau de vide
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Cependant, l'application du modèle du diagramme
énergétique permet de comprendre qualitativement les
phénomènes physiques mis en oeuvre dans ces matériaux. La
bande de valence correspond à ce qu'on appelle l'orbitale
moléculaire non occupée la plus basse (LUMO) et la bande de
conduction correspond à l'orbitale moléculaire occupée la
plus haute (HOMO).
III.6.1.Cellule photovoltaïque à base de
polymère
Après absorption des photons par le polymère,
des paires électron - trou liées (excitons) sont
générées, puis dissociées. Dans les
matériaux organiques seule une faible fraction des paires
électron trou générées par les photons contribue
effectivement au photo courant, à cause de la faible durée de vie
des excitons, et la faible mobilité des charges. L'une des idées
majeures est de distribuer en volume les sites de photo
génération pour améliorer la dissociation des excitons
[10-14]. Cette démarche est basée sur l'augmentation de la
surface de la jonction, grâce à la mise en oeuvre d'un
réseau interpénétré de type donneur/accepteur (D/A)
assurant le transport des trous (P+) vers l'anode (ITO) et le transport des
électrons (e-) vers la cathode métallique (en aluminium Al, par
exemple) comme il est illustré sur la figure III.6.
Figure III.6: Principe de fonctionnement d'une cellule
photovoltaïque bicouche [02].
Si le rendement quantique de séparation des charges
photo- induites des systèmes associant un polymère
semi-conducteur (de type PPV ou polythiophène) à un
dérivé du fullerène (PCBM) est ainsi proche de
l'unité, l'enjeu est désormais de limiter les
phénomènes de recombinaison et de piégeage qui limitent le
transport et la collection des charges aux électrodes.
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