Une cellule solaire organique ou une cellule solaire en plastique est un type de photovoltaïque utilisant l’électronique organique, une branche de l’électronique qui traite des polymères organiques conducteurs ou de petites molécules organiques, pour absorber la lumière et transporter des charges solaires. La plupart des cellules photovoltaïques organiques sont des cellules solaires en polymère.

Les molécules utilisées dans les cellules solaires organiques peuvent être traitées en solution à haut débit et sont peu coûteuses, ce qui se traduit par de faibles coûts de production pour fabriquer un grand volume. Combinées à la flexibilité des molécules organiques, les cellules solaires organiques sont potentiellement rentables pour les applications photovoltaïques. L’ingénierie moléculaire (par exemple, la modification de la longueur et du groupe fonctionnel des polymères) peut modifier la bande interdite, ce qui permet une accordabilité électronique. Le coefficient d’absorption optique des molécules organiques est élevé, de sorte qu’une grande quantité de lumière peut être absorbée par une petite quantité de matériaux, généralement de l’ordre de la centaine de nanomètres. Les principaux inconvénients associés aux cellules photovoltaïques organiques sont un faible rendement, une faible stabilité et une faible résistance par rapport aux cellules photovoltaïques inorganiques telles que les cellules solaires au silicium.

Par rapport aux dispositifs à base de silicium, les cellules solaires polymères sont légères (ce qui est important pour les petits capteurs autonomes), potentiellement jetables et peu coûteuses (parfois en électronique imprimée), flexibles, personnalisables au niveau moléculaire Les cellules solaires en polymère ont également le potentiel de présenter une transparence, suggérant des applications dans les fenêtres, les murs, l’électronique flexible, etc. Un exemple de dispositif est illustré à la Fig. l’efficacité des matériaux durs et une dégradation photochimique substantielle.

L’inefficacité des cellules solaires en polymère et les problèmes de stabilité, combinés à leur promesse de faibles coûts et à une efficacité accrue, en ont fait un domaine très prisé dans la recherche sur les cellules solaires. En 2015, les cellules solaires en polymère ont pu atteindre une efficacité supérieure à 10% via une structure en tandem.

La physique
Une cellule photovoltaïque est une diode semi-conductrice spécialisée qui convertit la lumière en courant continu (CC). En fonction de la bande interdite du matériau absorbant la lumière, les cellules photovoltaïques peuvent également convertir les photons infrarouges (IR) ou à haute énergie (UV) à faible énergie en courant continu. Une caractéristique commune des petites molécules et des polymères utilisés comme matériau absorbant la lumière dans les systèmes photovoltaïques est qu’ils ont tous de grands systèmes conjugués. Un système conjugué se forme lorsque les atomes de carbone se lient de manière covalente à des liaisons simples et doubles alternées. Les électrons de ces hydrocarbures, orbitales pz, se délocalisent et forment une liaison orbitale π délocalisée avec une orbitale antibonding π *. L’orbite π délocalisée est l’orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO), et l’orbitale π * est l’orbitale moléculaire inoccupée la plus faible (LUMO). En physique des semi-conducteurs organiques, le HOMO joue le rôle de bande de valence tandis que le LUMO sert de bande de conduction. La séparation d’énergie entre les niveaux d’énergie HOMO et LUMO est considérée comme la bande interdite des matériaux électroniques organiques et se situe généralement entre 1 et 4 eV.

Toute lumière dont l’énergie est supérieure à la bande interdite du matériau peut être absorbée, bien qu’il y ait un compromis entre la réduction de la bande interdite car les photons absorbés avec des énergies supérieures à la bande interdite dégagent thermiquement leur énergie excédentaire, ce qui entraîne des tensions plus faibles et efficacité de conversion de puissance. Lorsque ces matériaux absorbent un photon, un état excité est créé et confiné à une molécule ou à une région d’une chaîne polymère. L’état excité peut être considéré comme un exciton ou une paire électron-trou liée par des interactions électrostatiques. Dans les cellules photovoltaïques, les excitons sont divisés en paires électron-trou libres par des champs efficaces. Les champs efficaces sont mis en place en créant une hétérojonction entre deux matériaux différents. Dans les cellules photovoltaïques organiques, les champs efficaces décomposent les excitons en faisant tomber l’électron de la bande de conduction de l’absorbeur dans la bande de conduction de la molécule accepteur. Il est nécessaire que le matériau accepteur ait un bord de bande de conduction inférieur à celui du matériau absorbant.

Les cellules solaires polymères sont généralement constituées d’une couche bloquant les électrons ou les trous au-dessus d’un verre conducteur en oxyde d’indium et d’étain (ITO) suivi d’un donneur d’électrons et d’un accepteur d’électrons (cellules solaires en bloc). couche et électrode métallique sur le dessus. La nature et l’ordre des couches de blocage – ainsi que la nature de l’électrode métallique – dépendent du fait que la cellule suit une architecture de dispositif régulière ou inversée.Dans une cellule inversée, les charges électriques sortent du dispositif dans la direction opposée comme dans un dispositif normal car les électrodes positive et négative sont inversées. Les cellules inversées peuvent utiliser des cathodes à partir d’un matériau plus approprié; Les VPO inversés ont une durée de vie plus longue que les VPO à structure régulière, mais ils n’atteignent généralement pas une efficacité aussi élevée que les VPO ordinaires.

Dans les cellules solaires en polymère à hétérojonction en vrac, la lumière génère des excitons.Séparation de charge subséquente dans l’interface entre un donneur d’électrons et un accepteur se fondant dans la couche active de l’appareil. Ces charges sont ensuite acheminées vers les électrodes de l’appareil, où les charges s’écoulent à l’extérieur de la cellule, effectuent des travaux et pénètrent à nouveau dans l’appareil du côté opposé. L’efficacité de la cellule est limitée par plusieurs facteurs, notamment la recombinaison non géminée. La mobilité des trous entraîne une conduction plus rapide à travers la couche active.

Les photovoltaïques organiques sont constitués de matériaux donneurs d’électrons et accepteurs d’électrons plutôt que de jonctions pn semi-conductrices. Les molécules formant la région donneuse d’électrons des cellules PV organiques, où sont générées des paires électron-trou d’exciton, sont généralement des polymères conjugués possédant des électrons π délocalisés résultant d’une hybridation orbitale carbone p. Ces électrons π peuvent être excités par la lumière dans ou près de la partie visible du spectre depuis la plus haute orbitale moléculaire occupée (HOMO) jusqu’à la plus basse orbitale moléculaire inoccupée (LUMO), désignée par une transition π -π *. La bande interdite d’énergie entre ces orbitales détermine la ou les longueurs d’onde de la lumière pouvant être absorbées.

Contrairement à un matériau de cellule PV cristalline inorganique, avec sa structure de bande et ses électrons délocalisés, les excitons dans le photovoltaïque organique sont fortement liés à une énergie comprise entre 0,1 et 1,4 eV. Cette forte liaison se produit parce que les fonctions des ondes électroniques dans les molécules organiques sont plus localisées et que l’attraction électrostatique peut ainsi maintenir l’électron et le trou ensemble sous forme d’exciton. L’électron et le trou peuvent être dissociés en fournissant une interface à travers laquelle le potentiel chimique des électrons diminue. Le matériau qui absorbe le photon est le donneur, et le matériau qui acquiert l’électron s’appelle l’accepteur. Sur la figure 2, la chaîne polymère est le donneur et le fullerène est l’accepteur.Même après la dissociation, l’électron et le trou peuvent toujours être joints en tant que « paire géminée », et un champ électrique est alors requis pour les séparer. L’électron et le trou doivent être recueillis aux contacts. Si la mobilité des porteurs de charge est insuffisante, les porteuses n’atteindront pas les contacts et se recombineront plutôt sur les sites des pièges ou resteront dans le dispositif sous la forme de charges d’espace indésirables qui s’opposent au flux des nouvelles porteuses. Ce dernier problème peut survenir si les mobilités d’électrons et de trous ne sont pas adaptées. Dans ce cas, le photocourant à limitation de charge d’espace (SCLP) limite les performances du périphérique.

Le photovoltaïque organique peut être fabriqué avec un polymère actif et un accepteur d’électrons à base de fullerènes. L’illumination de ce système par la lumière visible conduit au transfert d’électrons du polymère vers une molécule de fullerène. En conséquence, la formation d’une quasiparticule photoinduite, ou polaron (P +), se produit sur la chaîne polymère et le fullerène devient un anion radicalaire (C−
60). Les polarons sont très mobiles et peuvent se diffuser.

Types de jonction
Le dispositif PV organique le plus simple comporte une hétérojonction plane. Un film de matière active organique (polymère ou petite molécule), de type donneur d’électrons ou accepteur d’électrons, est pris en sandwich entre les contacts. Les excitons créés dans le matériau actif peuvent diffuser avant la recombinaison et séparer, le trou et la diffusion d’électrons vers son électrode collectrice spécifique. Les porteurs de charge ayant des longueurs de diffusion de seulement 3–10 nm dans les semi-conducteurs organiques amorphes typiques, les cellules planaires doivent être minces, mais les cellules minces absorbent moins bien la lumière. Les hétérojonctions en vrac (BHJ) répondent à cette lacune. Dans un BHJ, un mélange de matériaux donneurs d’électrons et accepteurs d’électrons est coulé sous forme de mélange, qui se sépare ensuite en phases. Les régions de chaque matériau dans le dispositif ne sont séparées que par quelques nanomètres, une distance adaptée à la diffusion des porteurs. Les BHJ nécessitent un contrôle sensible de la morphologie des matériaux à l’échelle nanométrique. Les variables importantes comprennent les matériaux, les solvants et le rapport pondéral donneur-accepteur.

La prochaine étape logique au-delà des BHJ consiste à ordonner des nanomatériaux pour des cellules solaires ou des hétérojonctions ordonnées (OHJ). Les OHJ minimisent la variabilité associée aux BHJ. Les OHJ sont généralement des hybrides de matériaux inorganiques ordonnés et de régions actives organiques. Par exemple, un polymère photovoltaïque peut être déposé dans des pores dans une céramique telle que le TiO2. Comme les trous doivent toujours diffuser la longueur du pore à travers le polymère jusqu’à un contact, les OHJ souffrent de limitations d’épaisseur similaires. L’atténuation du goulot d’étranglement de la mobilité des trous est essentielle pour améliorer encore les performances de l’appareil.

Une seule couche
Les cellules photovoltaïques organiques monocouches sont la forme la plus simple. Ces cellules sont fabriquées en prenant en sandwich une couche de matériaux électroniques organiques entre deux conducteurs métalliques, typiquement une couche d’oxyde d’indium et d’étain (ITO) à haute fonction de travail et une couche de métal à faible travail tel que l’aluminium, le magnésium ou le calcium. La structure de base d’une telle cellule est illustrée dans.

La différence de fonction entre les deux conducteurs crée un champ électrique dans la couche organique. Lorsque la couche organique absorbe la lumière, les électrons seront excités vers le LUMO et laisseront des trous dans le HOMO, formant ainsi des excitons. Le potentiel créé par les différentes fonctions de travail permet de séparer les paires d’excitateurs, en tirant des électrons vers l’électrode positive (un conducteur électrique utilisé pour établir le contact avec une partie non métallique du circuit) et des trous vers l’électrode négative.

Hétérojonction graduée
Le donneur et l’accepteur d’électrons sont mélangés de manière à ce que le gradient soit graduel.Cette architecture combine la courte distance de déplacement des électrons dans l’hétérojonction dispersée à l’avantage du gradient de charge de la technologie bicouche.

Jonction continue
Semblable à l’hétérojonction graduée, le concept de jonction continue vise à réaliser une transition graduelle d’un donneur d’électrons à un accepteur d’électrons. Cependant, le matériau accepteur est préparé directement à partir du polymère donneur dans une étape de modification post-polymérisation.

Production
Comme sa couche active détermine en grande partie l’efficacité du dispositif, la morphologie de ce composant a fait l’objet de beaucoup d’attention.

Si un matériau est plus soluble dans le solvant que l’autre, il se déposera d’abord sur le substrat, provoquant un gradient de concentration à travers le film. Cela a été démontré pour les dispositifs à base de poly-3-hexylthiophène (P3HT), phényl-C61-ester méthylique d’acide butyrique (PCBM) où le PCBM a tendance à s’accumuler vers le fond du dispositif lors du revêtement par centrifugation des solutions ODCB. Cet effet est visible car le composant le plus soluble a tendance à migrer vers la phase «riche en solvant» pendant la procédure de revêtement, accumulant le composant le plus soluble vers le fond du film, où le solvant reste plus longtemps. L’épaisseur du film généré affecte la séparation des phases car la dynamique de cristallisation et de précipitation est différente pour des solutions plus concentrées ou des taux d’évaporation plus rapides (nécessaires pour construire des dispositifs plus épais). L’enrichissement cristallin en P3HT plus proche de l’électrode collectrice de trous ne peut être réalisé que pour des couches P3HT / PCBM relativement fines (100 nm).

Les gradients dans la morphologie initiale sont ensuite principalement générés par le taux d’évaporation du solvant et les différences de solubilité entre le donneur et l’accepteur à l’intérieur du mélange. Cette dépendance à la solubilité a été clairement démontrée en utilisant des dérivés de fullerène et du P3HT. Lorsque vous utilisez des solvants qui s’évaporent plus lentement (comme le chlorobenzène (CB) ou le dichlorobenzène (DCB)), vous pouvez obtenir une séparation ou une agrégation verticale plus importante alors que les solvants qui s’évaporent plus rapidement produisent une séparation verticale beaucoup moins efficace. Des gradients de solubilité plus importants devraient conduire à une séparation verticale plus efficace, tandis que des gradients plus petits devraient conduire à des films plus homogènes. Ces deux effets ont été vérifiés sur les cellules solaires P3HT: PCBM.

La vitesse d’évaporation du solvant ainsi que les procédures de recuit des vapeurs de solvant ou de recuit ont été également étudiées. Des mélanges tels que le P3HT: PCBM semblent bénéficier des procédures de recuit thermique, tandis que d’autres, tels que le PTB7: PCBM, ne semblent présenter aucun avantage. Dans P3HT, le bénéfice semble provenir d’une augmentation de la cristallinité de la phase P3HT générée par l’expulsion des molécules de PCBM de ces domaines. Cela a été démontré par des études sur la miscibilité aux PCBM dans P3HT ainsi que sur les modifications de la composition des domaines en fonction des temps de recuit.

L’hypothèse ci-dessus basée sur la miscibilité n’explique pas totalement l’efficacité des dispositifs, car seules les phases amorphes pures de matériaux donneurs ou accepteurs n’existent jamais dans les dispositifs à hétérojonction en vrac. Un article de 2010 a suggéré que les modèles actuels qui supposent des phases pures et des interfaces discrètes pourraient échouer compte tenu de l’absence de régions amorphes pures. Comme les modèles actuels supposent une séparation de phase aux interfaces sans tenir compte de la pureté de la phase, il peut être nécessaire de modifier les modèles.

La procédure de recuit thermique varie en fonction du moment où elle est appliquée. La migration verticale des espèces étant en partie déterminée par la tension superficielle entre la couche active et l’air ou une autre couche, le recuit avant ou après le dépôt de couches supplémentaires (le plus souvent la cathode métallique) affecte le résultat. Dans le cas de P3HT: les cellules solaires à PCBM migrent verticalement lorsque les cellules sont recuites après le dépôt de la cathode métallique.

L’accumulation de donneurs ou d’accepteurs à proximité des couches adjacentes peut être bénéfique, car ces accumulations peuvent entraîner des effets de blocage des trous ou des électrons, ce qui pourrait améliorer les performances du dispositif. En 2009, il a été démontré que la différence de distribution verticale sur les cellules solaires P3HT: PCBM posait des problèmes de mobilité des électrons, ce qui aboutit à une très faible efficacité des appareils. Des modifications simples apportées à l’architecture des périphériques (revêtement en couche mince d’une couche de PCBM au-dessus du P3HT) améliorent considérablement la reproductibilité des cellules en permettant une séparation verticale reproductible entre les composants de l’appareil. Comme un meilleur contact entre le PCBM et la cathode est nécessaire pour une meilleure efficacité, cela augmente grandement la reproductibilité du dispositif.

Selon l’analyse par diffusion des neutrons, les mélanges de P3HT: PCBM ont été décrits comme des «rivières» (régions P3HT) interrompues par des «flux» (régions PCBM).

Effets de solvant
Les conditions du revêtement par centrifugation et de l’évaporation affectent l’efficacité de l’appareil.Le solvant et les additifs influencent la morphologie donneur-accepteur. Les additifs ralentissent l’évaporation, conduisant à des polymères plus cristallins et améliorant ainsi la conductivité et l’efficacité des trous. Les additifs typiques comprennent le 1,8-octanedithiol, l’ortho-dichlorobenzène, le 1,8-diiodooctane (DIO) et le nitrobenzène. L’effet DIO a été attribué à la solubilisation sélective des composants du PCBM, modifie fondamentalement la distance de saut moyenne des électrons et améliore ainsi la mobilité des électrons. Les additifs peuvent également entraîner une augmentation importante de l’efficacité des polymères. Pour les cellules solaires HXS-1 / PCBM, l’effet était corrélé à la génération de charge, au transport et à la stabilité au stockage. D’autres polymères tels que le PTTBO bénéficient également de manière significative de la DIO, atteignant des valeurs de PCE de plus de 5% par rapport à environ 3,7% sans additif.

Les cellules solaires en polymère fabriquées à partir de chloronaphtalène (CN) en tant que co-solvant présentent une efficacité supérieure à celles fabriquées à partir de la solution de chlorobenzène pur plus conventionnelle. En effet, la morphologie donneur-accepteur change, ce qui réduit la séparation de phases entre le polymère donneur et le fullerène. En conséquence, cela se traduit par des mobilités élevées. Sans co-solvants, de grands domaines de fullerènes se forment, diminuant les performances photovoltaïques de la cellule grâce à l’agrégation de polymères en solution. Cette morphologie provient de la séparation de phase liquide-liquide pendant le séchage;résoudre l’évaporation provoque l’entrée du mélange dans la région spinodale, dans laquelle il existe des fluctuations thermiques importantes. Les grands domaines empêchent la collecte efficace des électrons (diminution des PCE).

De petites différences dans la structure du polymère peuvent également entraîner des changements significatifs dans le compactage des cristaux qui affectent inévitablement la morphologie du dispositif. PCPDTBT diffère du PSBTBT par la différence d’atomes de pontage entre les deux polymères (C vs. Si), ce qui implique que de meilleures morphologies sont réalisables avec PCPDTBT: cellules solaires contenant des additifs PCBM par opposition au système Si substances supplémentaires.

Cellules auto-assemblées
La chimie supramoléculaire a été étudiée en utilisant des molécules de donneur et d’accepteur qui s’assemblent lors de la centrifugation et du chauffage. La plupart des assemblages supramoléculaires utilisent de petites molécules. Les domaines donneurs et accepteurs dans une structure tubulaire semblent idéaux pour les cellules solaires organiques.

Les polymères diblocs contenant des fullerènes donnent des cellules solaires organiques stables lors du recuit thermique. Des cellules solaires présentant des morphologies préconçues sont apparues lorsque des interactions supramoléculaires appropriées ont été introduites.

Les progrès réalisés sur les PCA contenant des dérivés de polythiophène donnent des cellules solaires qui s’assemblent en réseaux bien définis. Ce système présente un PCE de 2,04%. La liaison hydrogène guide la morphologie.

L’efficacité du dispositif basée sur des approches de copolymère n’a pas encore franchi la barrière de 2%, tandis que les dispositifs à hétérojonction en vrac présentent une efficacité supérieure à 7% dans les configurations à jonction unique.

Des copolymères séquencés tige-bobine greffés au fullerène ont été utilisés pour étudier l’organisation du domaine.

Les approches supramoléculaires des cellules solaires organiques permettent de comprendre les forces macromoléculaires à l’origine de la séparation de domaines.

Cellules infrarouges en polymère
Les cellules infrarouges absorbent préférentiellement la lumière dans l’infrarouge plutôt que les longueurs d’onde visibles. À partir de 2012, ces cellules peuvent être rendues transparentes à près de 70% à la lumière visible. Les cellules pourraient être fabriquées en grand volume à faible coût en utilisant un traitement de solution. Les cellules polymères infrarouges peuvent être utilisées comme composants additionnels de l’électronique portable, des fenêtres intelligentes et du photovoltaïque intégré au bâtiment. Les cellules utilisent des films composites à nanofil d’argent / dioxyde de titane comme électrode supérieure, remplaçant les électrodes métalliques opaques conventionnelles. Avec cette combinaison, une efficacité de conversion de puissance de 4% a été atteinte.

Efficacité de conversion de puissance
L’un des principaux problèmes entourant les cellules solaires en polymère est la faible efficacité de conversion de puissance (PCE) des cellules fabriquées. Pour être considérées comme commercialement viables, les PSC doivent être en mesure d’atteindre une efficacité d’au moins 10 à 15%, ce qui est déjà beaucoup plus faible que les PV inorganiques. Cependant, en raison du faible coût des cellules solaires en polymère, une efficacité de 10 à 15% est commercialement viable.

Le PCE (η) est proportionnel au produit du courant de court-circuit (JSC), de la tension en circuit ouvert (VOC) et du facteur de remplissage (FF).

Où Pin est l’énergie solaire incidente. Les progrès récents dans la performance des cellules solaires en polymère ont résulté de la compression de la bande interdite pour améliorer le courant de court-circuit tout en abaissant la plus haute orbitale moléculaire occupée (HOMO) pour augmenter la tension en circuit ouvert. Cependant, les CSP souffrent toujours de facteurs de remplissage faibles (généralement inférieurs à 70%). Cependant, à partir de 2013, les chercheurs ont pu fabriquer des PSC avec des facteurs de remplissage supérieurs à 75%. Les scientifiques ont été capables d’accomplir via une BHJ inversée et en utilisant des combinaisons donneur / accepteur non conventionnelles.

Commercialisation
Les cellules solaires en polymère doivent encore faire face à la concurrence des cellules solaires en silicium et des autres cellules à couche mince. L’efficacité actuelle des cellules solaires en polymère est proche de 10%, bien au-dessous des cellules de silicium. Les cellules solaires en polymère souffrent également d’une dégradation de l’environnement, sans revêtement de protection efficace.

Des améliorations supplémentaires des performances sont nécessaires pour promouvoir la diffusion des porteurs de charge; le transport doit être renforcé par le contrôle de l’ordre et de la morphologie;et l’ingénierie d’interface doit être appliquée au problème du transfert de charge entre interfaces.

Des recherches sont menées sur l’utilisation de l’architecture en tandem afin d’accroître l’efficacité des cellules solaires en polymère. Semblable à l’architecture tandem inorganique, l’architecture en tandem organique devrait accroître l’efficacité. Comparée à un dispositif à simple jonction utilisant des matériaux à faible bande interdite, la structure en tandem peut réduire les pertes de chaleur lors de la conversion de photons en électrons.

Les cellules solaires en polymère ne sont pas largement commercialisées. À partir de 2008, Konarka Technologies a démarré la production de cellules solaires en polymère-fullerène. Les modules initiaux étaient efficaces de 3 à 5% et ne duraient que quelques années. Konarka a depuis fait faillite, ces cellules solaires en polymère étant incapables de pénétrer le marché du PV.

Modélisation de cellules solaires organiques
Comme discuté ci-dessus, les semi-conducteurs organiques sont des matériaux hautement désordonnés sans ordre à longue portée. Cela signifie que les bandes de bande de conduction et de cantonnière ne sont pas bien définies. En outre, ce désordre physique et énergétique génère des états de piégeage dans lesquels des électrons et des trous photogénérés peuvent être piégés puis éventuellement recombinés.

La clé pour décrire avec précision des cellules solaires organiques dans un modèle de dispositif consiste à inclure le piégeage de support et la recombinaison via des états de piège. Une approche couramment utilisée consiste à utiliser un modèle de support efficace, où les équations de diffusion de dérive standard sont utilisées pour décrire le transport à travers le dispositif. Ensuite, une queue exponentielle d’états de piégeage est introduite qui se désintègre dans la bande interdite à partir des arêtes de mobilité. Pour décrire la capture / échapper à ces états de piège, le Shockley – Read – Hall (SRH) peut être utilisé. Le mécanisme de Shockley-Read-Hall a démontré sa capacité à reproduire le comportement du dispositif polymère: fullerène à la fois dans le domaine temporel et en régime permanent.

Défis actuels et progrès récents
Les difficultés associées aux cellules photovoltaïques organiques incluent leur faible efficacité quantique externe (jusqu’à 70%) par rapport aux dispositifs photovoltaïques inorganiques, malgré une bonne efficacité quantique interne; ceci est dû à une absorption insuffisante avec des couches actives de l’ordre de 100 nanomètres. Les instabilités contre l’oxydation et la réduction, la recristallisation et les variations de température peuvent également entraîner une dégradation de l’appareil et une diminution des performances au fil du temps. Cela se produit à des degrés différents pour les appareils avec des compositions différentes et constitue un domaine dans lequel des recherches actives sont en cours.

Parmi les autres facteurs importants, citons la longueur de diffusion de l’exciton, la séparation des charges et la collecte des charges qui sont affectées par la présence d’impuretés.

Mobilité et transport des porteurs de charge
En particulier pour les cellules solaires à hétérojonction en vrac, la compréhension du transport des porteurs de charge est essentielle pour améliorer l’efficacité des systèmes photovoltaïques organiques. Actuellement, les dispositifs à hétérojonction en vrac présentent une mobilité de porteuse de charge déséquilibrée, la mobilité des trous étant au moins d’un ordre de grandeur inférieur à celle de la mobilité des électrons; Cela se traduit par une accumulation de charge d’espace et une diminution du facteur de remplissage et de l’efficacité de la conversation électrique d’un appareil. En raison de leur faible mobilité, des cellules photovoltaïques à hétérojonction en vrac efficaces doivent être conçues avec des couches actives minces pour éviter la recombinaison des porteurs de charge, ce qui nuit à l’absorption et à l’évolutivité du traitement. Des simulations ont démontré que pour avoir une cellule solaire à hétérojonction en vrac avec un facteur de remplissage supérieur à 0,8 et un rendement quantique externe supérieur à 90%, il faut équilibrer la mobilité des porteurs de charge pour réduire l’effet de charge une mobilité et / ou une diminution du taux de recombinaison bimoléculaire constante.

Effet de la morphologie du film
Comme décrit ci-dessus, les hétérojonctions dispersées de matériaux organiques donneurs-accepteurs ont un rendement quantique élevé par rapport à l’hétéro-jonction planaire, car dans les hétérojonctions dispersées, il est plus probable qu’un exciton trouve une interface dans sa longueur de diffusion. La morphologie du film peut également avoir un effet considérable sur l’efficacité quantique de l’appareil. Les surfaces rugueuses et la présence de vides peuvent augmenter la résistance de la série et les risques de court-circuit. La morphologie du film et, par conséquent, l’efficacité quantique peuvent être améliorées par le recuit d’un dispositif après l’avoir recouvert d’une cathode métallique d’environ 1000 Å d’épaisseur. Un film métallique sur le film organique applique des contraintes sur le film organique, ce qui contribue à empêcher la relaxation morphologique dans le film organique. Cela donne des films plus compacts et permet en même temps la formation d’une interface donneur-accepteur interpénétrant à phase séparée dans la masse du film mince organique.

Hétérojonction à croissance contrôlée
La séparation de charge se produit à l’interface donneur-accepteur. Tout en voyageant vers l’électrode, une charge peut être piégée et / ou se recombiner dans une matière organique interpénétrée désordonnée, entraînant une diminution de l’efficacité du dispositif. La croissance contrôlée de l’hétérojonction permet de mieux contrôler les positions des matériaux donneurs-accepteurs, ce qui se traduit par une efficacité énergétique bien supérieure (rapport puissance de sortie / puissance d’entrée) à celle des hétéro-jonctions planes et fortement désorientées (voir).Ainsi, le choix de paramètres de traitement appropriés afin de mieux contrôler la structure et la morphologie du film est hautement souhaitable.

Progrès dans les techniques de croissance
La plupart du temps, des films organiques destinés à des applications photovoltaïques sont déposés par centrifugation et dépôt en phase vapeur. Cependant, chaque procédé présente certains inconvénients, la technique de revêtement par centrifugation peut revêtir de plus grandes surfaces à grande vitesse, mais l’utilisation d’un solvant pour une couche peut dégrader la couche de polymère existante. Un autre problème est lié à la structuration du substrat pour un dispositif car le revêtement par centrifugation a pour résultat de revêtir la totalité du substrat avec un seul matériau.

Évaporation thermique sous vide
Une autre technique de dépôt est l’évaporation thermique sous vide (TEV), qui consiste à chauffer une matière organique sous vide. Le substrat est placé à plusieurs centimètres de la source de sorte que le matériau évaporé puisse être directement déposé sur le substrat, comme illustré dans. Cette méthode est utile pour déposer de nombreuses couches de matériaux différents sans interaction chimique entre différentes couches. Cependant, l’uniformité de l’épaisseur du film et le dopage uniforme sur des substrats de grande surface posent parfois des problèmes. En outre, les matériaux qui se déposent sur la paroi de la chambre peuvent contaminer les dépôts ultérieurs. Cette technique de « ligne de visée » peut également créer des trous dans le film dus à l’ombrage, ce qui entraîne une augmentation de la résistance série et du court-circuit de l’appareil.

Dépôt en phase vapeur organique
Le dépôt en phase vapeur organique (OVPD) permet un meilleur contrôle de la structure et de la morphologie du film que l’évaporation thermique sous vide. Le procédé implique l’évaporation du matériau organique sur un substrat en présence d’un gaz porteur inerte. La morphologie du film résultant peut être ajustée en modifiant le débit de gaz et la température de la source. Des films uniformes peuvent être cultivés en réduisant la pression du gaz porteur, ce qui augmentera la vitesse et le libre parcours moyen du gaz, ce qui entraînera une diminution de l’épaisseur de la couche limite. Les cellules produites par OVPD ne présentent pas de problèmes liés aux contaminations provenant des flocons sortant des parois de la chambre, car les parois sont chaudes et ne permettent pas aux molécules de coller et de produire un film.

Un autre avantage par rapport à la TEV est l’uniformité du taux d’évaporation. Cela se produit parce que le gaz porteur devient saturé avec les vapeurs de la matière organique sortant de la source et se déplace ensuite vers le substrat refroidi, figure 6 (b). En fonction des paramètres de croissance (température de la source, pression de base et flux du gaz porteur), le film déposé peut être de nature cristalline ou amorphe. Les appareils fabriqués à l’aide d’OVPD présentent une densité de courant de court-circuit plus élevée que celle des appareils fabriqués avec VTE. Une couche supplémentaire d’hétéro-jonction donneur-accepteur au sommet de la cellule peut bloquer les excitons, tout en permettant la conduction de l’électron; résultant en une meilleure efficacité cellulaire.

Encre solaire organique
L’encre solaire organique est capable de fournir des performances supérieures dans des conditions d’éclairage fluorescent par rapport aux cellules solaires en silicium amorphe, et aurait une augmentation de 30 à 40% de la densité de puissance intérieure par rapport à la technologie solaire organique standard.

Piégeage de la lumière
Différents types de composants sont appliqués pour augmenter les effets de piégeage de la lumière (couplage léger) dans les cellules solaires minces organiques. En plus de la flexibilité des cellules solaires organiques, en utilisant respectivement des électrodes et des substrats flexibles au lieu d’ITO et de verre, des cellules solaires organiques entièrement flexibles peuvent être produites. En utilisant des substrats et des substrats flexibles, des méthodes plus simples pour fournir des effets de piégeage de la lumière aux OPV sont introduites telles que des électrodes polymères avec particules diffusantes incorporées, des électrodes polymères nano-imprimées, des substrats PET et même un film optique commercialisé pour écrans à cristaux liquides comme substrats. De nombreuses recherches seront entreprises pour améliorer la performance des VPO avec le mérite de faciliter le traitement des structures de piégeage de lumière.

Utilisation en photovoltaïque en tandem
Des recherches et des études récentes ont été menées sur l’utilisation d’une cellule solaire organique en tant que cellule supérieure dans une pile de cellules solaires en tandem hybride. Étant donné que les cellules solaires organiques ont une bande interdite plus élevée que les cellules photovoltaïques inorganiques traditionnelles telles que le silicium ou le CIGS, elles peuvent absorber des photons d’énergie plus élevée sans perdre beaucoup d’énergie due à la thermalisation et fonctionnent donc à une tension plus élevée. Les photons à plus basse énergie et les photons à plus haute énergie qui ne sont pas absorbés traversent la cellule solaire organique supérieure et sont ensuite absorbés par la cellule inorganique inférieure. Les cellules solaires organiques peuvent également être traitées à basse température avec un faible coût de 10 dollars par mètre carré, ce qui donne une cellule supérieure imprimable qui améliore l’efficacité globale des technologies existantes de cellules solaires inorganiques. De nombreuses recherches ont été effectuées pour permettre la formation d’un tel empilement de cellules solaires en tandem hybride, y compris la recherche dans le dépôt d’électrodes semi-transparentes qui maintiennent une faible résistance de contact tout en ayant une grande transparence.