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Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Edition 2013


PhotoLighT


Couches d'interface structurées pour le piégeage de photons dans les cellules photovoltaïques solaires organiques

Structuration de couches pour exalter l’absorption dans les cellules photovoltaïques organiques
Il est nécessaire de continuer à améliorer les rendements de conversion des cellules photovoltaïques organiques. Parmi diverses stratégies, ce projet utilise l’effet photonique de couches structurées pour améliorer le piégeage de la lumière et donc l’absorption du flux de photons.

Améliorer les rendements de conversion des cellules photovoltaïques organiques
Les cellules photovoltaïques organiques font partie des cellules dites de 3ème génération après le silicium massif et les couches minces. Elles sont classiquement constituées d'un empilement de couches dont le matériau actif pi-conjugué, dans lequel les photons sont tout d'abord absorbés, puis les excitons générés sont dissociés en charges qui sont finalement collectées aux électrodes.
Les critères de développement des cellules sont le rendement, la stabilité et le coût. L'objectif de ce projet est d’améliorer le rendement en intégrant dans la cellule une structure photonique originale. Elle consiste à augmenter l’absorption de photons par effet de piégeage de la lumière dans la couche active. Le maximum d’émission du flux de photons se situe autour de 550 nm, ce qui correspond au pied de la bande d’absorption de la plupart des matériaux utilisés. Cette perte peut être contrebalancée par la synthèse de polymères dits à faible bande interdite, présentant une absorption plus large vers le proche infra-rouge. Cependant la durée de vie des charges dans le matériau actif étant très courte il est nécessaire de réduire l’épaisseur de la couche active et par conséquent de développer des voies innovantes pour exalter l’absorption. Ce projet est axé sur l’élaboration de couches d’interface au voisinage la couche active en utilisant l’auto-assemblage de différentes briques élémentaires par des procédés « breath figure ». Ce procédé faible coût, permet de préparer des couches à structures photoniques auto-assemblées en nids d'abeille à pores sub-microniques pour le piégeage de la lumière.

Modéliser et élaborer des structures photoniques
La démarche employée pour ce projet est à la fois basée sur l’expérience des partenaires pour l’élaboration de films structurés et la modélisation des paramètres à contrôler. En effet, il est essentiel de déterminer à l’avance les dimensions nécessaires de pores pour obtenir l’effet photonique souhaité. Ensuite, il s’agit d’élaborer ces films en optimisant la nature des matériaux employés et les conditions de préparation. Un des verrous à lever consiste à structurer la couche active pour améliorer l’absorption par piégeage de la lumière tout en évitant de rajouter une couche d’interface dans le dispositif.

Résultats

Différents films structurés ont été élaborés et déposés sur différents substrats et en particulier des couches actives représentatives d’une cellule solaire. Les premiers résultats ont montré une amélioration de l’absorption. Parallèlement, des outils de modélisation sont utilisés et mis au point de façon à déterminer les paramètres clés pour les structures photoniques. Un effort particulier est également mené sur le procédé de préparation de ces couches pour les intégrer dans un dispositif de cellule solaire.

Perspectives

Trouver des matériaux et couches d’interface permettant de « jouer » avec la lumière pour la piéger ou au contraire l’extraire pour des applications autres que le photovoltaïque.

Productions scientifiques et brevets

Deux publications à comité de lecture sont parues en lien avec ce projet, sur les aspects prédictifs de piégeage de la lumière pour les cellules solaires organiques.

Partenaires

ICMCB Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux

IPREM Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l'Environnement et les Matériaux

IMS Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système

LOMA Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine

Aide de l'ANR 385 830 euros
Début et durée du projet scientifique septembre 2013 - 48 mois

Résumé de soumission

Les rendements photovoltaïques dans les cellules solaires organiques (CSO) sont affectés par la longueur de diffusion des excitons qui est d’un ordre de grandeur plus faible que celle de l’absorption de la lumière (~100 nm). Ceci impose d’avoir une phase bi-continue entre le donneur et l’accepteur pour créer une hétérojonction en volume (BHJ). Les dispositifs avec des BHJ optimisées ont une couche active de ~100 nm d’épaisseur, pour avoir un compromis entre l’absorption optique et les propriétés électriques. Ces épaisseurs permettent d’absorber efficacement les photons en raison du fort coefficient d’extinction des matériaux de la BHJ. Cependant, le maximum d’émission du flux de photons se situe autour de 700 nm, ce qui correspond au pied de la bande d’absorption de la plupart des matériaux des BHJ. Cette perte peut être contrebalancée par la synthèse de polymères à faible bande interdite (low bandgap LBG), présentant une absorption plus large vers le proche infra-rouge. La contrainte de l’épaisseur de la couche active nécessite de développer des voies innovantes pour exalter l’absorption ou le piégeage de la lumière au niveau de la couche active.
L’origine des matériaux fonctionnels générant des couleurs dans les ailes de papillon est attribuée à la présence d’arrangements structurés à l’échelle sub -micronique pour créer des cristaux photoniques (PC). De la même manière, des films en nid d’abeille (honeycomb HC) peuvent générer de l’opalescence quand les pores sub-microniques sont organisés en structures bi-dimensionnelles 2D. Les HC font partie des structures facilement accessibles en raison du procédé faible coût « bottom-up » liés à l’évaporation rapide d’une solution « breath figure » contenant des briques élémentaires.
Le piégeage de la lumière est exalté par une rugosité de l’interface et la dispersion de la propagation de la lumière dans les matériaux actifs. Parmi les différentes stratégies utilisées, des figures de piégeage de lumière hautement ordonnées et des structures périodiques, peuvent être conçues pour manipuler le flux de lumière et augmenter son absorption. Des approches de lithographie par procédé « top-down » ont été explorées pour améliorer l’efficacité de piégeage de la lumière. En effet, la lumière diffractée dépend des contrastes d’indices de réfraction, de la taille et de la périodicité de la structure. La propriété des PC à ainsi contrôler le flux de photons a été exploitée pour améliorer les performances de la couche active par des procédés « top-down ».
Ce projet sera axé sur l’élaboration de couches d’interface HC en contact avec la couche active dans les CSO en utilisant l’auto-assemblage de différentes briques élémentaires par des procédés « breath figure ». Ce procédé faible coût, permet de préparer des couches d’interface photoniques pour le piégeage de la lumière dans les pores sub-microniques de HC.
Pour atteindre cet objectif, 5 tâches ont été identifiées :
1) Modélisation optique des structures photoniques de type HC insérées dans les cellules solaires multi-couches (LOMA/IMS),
2) Elaboration de nanoparticules bien définies d’indices de réfraction différents (ICMCB),
3) Design de briques élémentaires fonctionnelles, colloïdes core@shell ou copolymères à blocs (IPREM),
3) Optimisation des couches d’interface HC 2D avec la couche active par auto-assemblage de briques élémentaires (IPREM),
5) Préparation/évaluation des effets des couches photoniques d’interface sur le piégeage de la lumière dans les dispositifs CSO (IMS/LOMA/IPREM).
Il est important de mentionner que parmi les quelques groupes travaillant à l’international dans le domaine des HC, aucune application aux CSO n’a été envisagée jusqu’à présent. Les chercheurs associés dans ce projet ont publié plusieurs articles justifiant la stratégie présentée. Ce projet de 4 ans pourra être mené à bien grâce aux compétences présentes dans le consortium ICMCB, IMS, LOMA et IPREM et aussi au recrutement de 4 postdocs (54 mois).

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8) 2013

Référence projet : ANR-13-BS08-0003

Coordinateur du projet :
Madame CHRISTINE DAGRON-LARTIGAU (Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l'Environnement et les Matériaux)

Site internet du projet : http://iprem-epcp.univ-pau.fr/live/Photolight

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.