CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES

Gérard GOMEZ

Plan de l'étude

1) Généralités

2) Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques à semi-conducteurs

3) Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques organiques

4) Qualités des cellules photovoltaïques organiques et applications

5) Quelques polymères et quelques molécules utilisées dans la technique OPV

5-1) Accepteurs d'électrons

5-2) Donneurs d'électrons

6) Les cellules grätzel

1) Généralités :

Une cellule photovoltaïque transforme l'énergie lumineuse qu'elle reçoit en une tension électrique continue.

Deux technologies existent, l'une assez ancienne, basée sur des semi-conducteurs essentiellement à base de silicium (dite de première génération pour les cellules rigides ou de deuxième génération pour les panneaux en couche mince et éventuellement flexibles) et l'autre dite technologie souple ou flexible, plus récente, basée sur les propriétés de certaines molécules organiques et désignée par OPV (Organic PhotoVoltaics).

2) Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques à semi-conducteurs :

Le principe très sommaire de fonctionnement est le suivant :

On superpose deux zones de silicium, l'une dopée n, l'autre dopée p et on crée ainsi dans la zone frontière une diode.

Lorsqu'on envoie un photon au travers de la zone dopée n un électron est arraché et il se crée une paire électron-trou au niveau de la zone frontière ; celle-ci a été créée pour éviter une recombinaison rapide des charges de signes opposés. Les charges migrent sous l'effet des champs qui existent dans chacune des deux zones, s'accumulent sur les faces opposées du système et créent ainsi une tension continue.

Le rendement de ces cellules est de l'ordre de 15%.

3) Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques organiques :

Elles sont étudiées depuis les années 1970, mais avec un intérêt plus soutenu et un essor plus rapide à partir des années 1990.

On associe un polymère (par exemple le PCDTBT) et une molécule (exemple le PC₇₀BM) ; le premier joue le rôle de donneur d'électrons et la seconde d'accepteur d'électrons, comme le montre le schéma de principe simplifié ci-dessous :

Le rendement de ce type de cellules se situe entre 6% et 10%.

4) Qualités des cellules photovoltaïques organiques et applications :

En dépit d'un faible rendement, ces cellules possèdent quelques avantages par rapport aux cellules à base de silicium :

¾ Elles correspondent à de faibles coûts financiers et énergétiques.

¾ Elles ont un faible impact environnemental.

¾ Elles peuvent s'intégrer facilement à des structures souples ; on cite par exemple fréquemment la possibilité de les intégrer à des toiles de tentes, structures placées généralement au soleil, qui développent une grande surface et qui permettent de récupérer de l'énergie alors que l'on est loin de toute autre source d'électricité.

On procède par des techniques proches des techniques d'impression en incorporant ces cellules dans des encres qu'on applique sur des supports plastiques.

On peut les incorporer à des peintures que l'on sait enduire en couches très minces.

Les vitres et les pare-brises de voitures constituent aussi des supports intéressants.

5) Quelques polymères et quelques molécules utilisées dans la technique OPV :

5-1) Accepteurs d'électrons :

Certains accepteurs d'électrons sont à base de fullerène 60 ou 70.

Compte-tenu de leur structure les fullerènes sont de bons accepteurs d'électrons ; ils permettent en effet une grande et facile délocalisation des électrons qu'ils reçoivent.

On peut citer :

Le fullerène C60 un des premiers découvert ; c'est un ensemble de 60 atomes de carbone placés aux sommets de 12 pentagones et 20 hexagones, l'ensemble formant une structure semblable à celle d'un ballon de football.

Le PC₆₀BM ou Phényl, fullerène60-Butanoate de Méthyle formé à partir de fullerène C60

Remarque : l’ajout du groupement substitué phényl-butanoate permet une bonne solubilité du PC60BM dans une grande quantité de solvants organiques

Le PC₇₀BM Phényl, fullerène70-Butanoate de Méthyle formé à partir de fullerène C70 (70 atomes de carbone)

Il existe aussi quelques polymères accepteurs comme par exemple :

CNPPV

PCNEPV

5-2) Donneurs d'électrons :

Ce sont des polymères divers ; leur caractère donneur d'électrons s'expliquant par la présence de doublets d'électrons non liants dus à la présence d'atomes de soufre, d'oxygène ou d'azote (transitions d'orbitales π -> π*, σ -> σ* pour ces doublets) et par la présence de doubles liaisons (transitions d'orbitales π -> π*).

on va donner le motif de quelques-uns d'entr'eux :

MDMO-PPV ou Poly[2-méthoxy-5-(3',7'-diméthyloctyloxy)-1,4'-phénylène vinylène]. [C₁₉H₂₈O₂]n N° CAS : 177716-59-5
PCDTBT (C₄₃H₄₇N₃S₃)_n C₁₂H₁₀ Masse molaire : 20 000 à 100 000 Daltons UV : 390, 554 nm N° CAS : 958261-50-2
PCBTDPP (C₆₁H₈₅N₃O₂S₂)_n Masse molaire : 10 000 à 50 000 Daltons UV : 647 nm N° CAS : 1147374-60-4
PBDTTPD (C₄₀H₅₃NO₄S₃)_n N° CAS : 1223479-75-1
P3HT ou poly(3-hexylthiophène) (C₁₀H₁₈S)_n Fusion : 238°C N° CAS : 108568-44-1 Risques : R 36/37/38 S 26
F8BT ou poly (9,9-dioctylfluorène-co-benzothiadiazole)
PFN-B

6) Les cellules Grätzel :

Appelées aussi DSSC acronyme de Dye-sensitived solar cell , elles sont à mi-chemin entre les cellules photovoltaïques à semi-conducteur et les cellules photovoltaïques organiques ; elles sont inspirées de la photosynthèse et dissocient l'absorption de la lumière et la séparation des charges.

Mises au point en 1991 par Michael Grätzel de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne et son équipe, elles sont très diverses mais toutes ont un schéma global semblable (D'après "Les cellules Grätzel : L'avenir de la filière photovoltaïque ? Clément Girault – Ammanuel James – Aurélien Monfort)

Une mince couche de pigment photosensible est adsorbée à la surface de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO₂) un semi-conducteur à large bande interdite (DE = 3,2 eV), l'ensemble étant déposé à la surface d'une électrode 1 transparente et conductrice. Entre les deux électrodes 1 et 2, un électrolyte, par exemple une solution contenant des ions iodures (I^-) et des ions triiodures (I₃^-).

Lorsqu'un photon hn traverse une des électrodes et arrive sur le colorant, il cède son énergie à celui-ci qui passe dans un état excité. La relaxation se fait par transfert de l'électron excité à la bande de conduction du dioxyde de titane. Cet électron traverse la fine couche de TiO₂ et arrive sur l'électrode puis dans le circuit électrique externe.

Le colorant ayant perdu un électron est chargé positivement ; vis-à-vis de l'électrolyte dans lequel il baigne il va jouer le rôle d'oxydant (accepteur d'électron). Il va oxyder un ion iodure (I^-) et le transformer en ion triiodure (I₃^-).Cet ion est réduit au niveau de l'électrode 2 en ion iodure (I^-), le cycle rédox est ainsi bouclé et le système est revenu à son état initial jusqu'au prochain photon.

En résumé :

hn + Colorant àColorant^*
Colorant^* à Colorant⁺ + e^- injecté dans TiO₂ (Electrode 1)
2 Colorant⁺ + 3 I^- à 2 Colorant + I₃^-
I₃^- + 2e^- à 3I^- (Electrode 2)

Des exemples de pigments photosensibles (colorants) :


NT35	XY1b

MS5	MS4