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RÉSUMÉ
Les cellules photovoltaïques organiques convertissent la lumière en électricité grâce aux propriétés d'une hétérojonction formée de deux matériaux respectivement donneur et accepteur d'électron. L'efficacité de conversion dépend de la nano-structuration de l'interface donneur/accepteur. Les matériaux forment des réseaux bi-continus interpénétrés de domaines de taille caractéristique inférieure à quelques dizaines de nanomètres. Les propriétés électroniques et l'orientation préférentielle des domaines déterminent l'efficacité de la collecte des charges photogénérées par le circuit extérieur. L'optimisation de la nano-structuration des matériaux organiques, utilisés comme couche active, est un élément clef pour l'avenir de cette technologie. Plusieurs approches sont possibles, elles s'appuient sur des outils de nanofabrication, des procédés physico-chimiques et la conception de nanomatériaux fonctionnalisés et font l'objet principal de cet article.
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INTRODUCTION
L'exploitation des sources d'énergie renouvelable et en particulier du solaire photovoltaïque (PV) est devenue une priorité. Les cellules photovoltaïques en couches minces tentent de contourner les difficultés rencontrées par la technologie traditionnelle à base de silicium en minimisant la quantité de matière active semi-conductrice par kWh installé tout en maintenant le rendement de conversion à des valeurs raisonnables (entre 10 et 20 %). Ces innovations devraient permettre d'élargir les possibilités d'intégration du photovoltaïque à de nouveaux domaines comme les produits microélectroniques nomades ou encore les vitrages photovoltaïques.
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- Version courante de mars 2022 par Nicolas LECLERC, Patrick LEVÊQUE
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Nanostructuration de la couche active1. Les cellules photovoltaïques organiques
Thomas HEISER est professeur à l’École nationale supérieure de physique de Strasbourg (ENSPS). Institut d’électronique du solide et des systèmes (InESS).
Patrick LEVEQUE est maître de conférences à l’université de Strasbourg. Institut d’électronique du solide et des systèmes (InESS).
Dans le contexte actuel de changement climatique, l'exploitation des sources d'énergie renouvelable et en particulier du solaire photovoltaïque (PV) est devenue une priorité. Le marché photovoltaïque est aujourd'hui largement dominé par la technologie traditionnelle à base de silicium qui a fait ses preuves. Néanmoins, la croissance du marché reste fragilisée par le coût encore excessif des modules PV et par l'approvisionnement limité en silicium. Les technologies plus récentes, telles que les cellules photovoltaïques en couches minces (au sens large du terme) tentent de contourner ces difficultés, en minimisant la quantité de matière active semiconductrice par kWh installé tout en maintenant le rendement de conversion à des valeurs raisonnables (entre 10 et 20 %). D'autres objectifs visés par ces nouvelles approches sont : la réduction du poids surfacique des dispositifs, l'utilisation d'un substrat flexible, la semi-transparence, ou encore la réduction de la consommation énergétique et l'amélioration du bilan CO2 du procédé de fabrication des cellules. Ces innovations devraient permettre d'élargir les possibilités d'intégration du photovoltaïque à de nouveaux domaines comme les produits micro-électroniques nomades ou encore les vitrages photovoltaïques.
Parmi les technologies en couches minces on peut citer les cellules inorganiques à base de silicium ou de semi-conducteurs composés (tels que les alliages CIGS à base de cuivre, d'indium, de gallium et de sélénium), les cellules organiques à base de polymères π-conjugués et/ou de semi-conducteurs moléculaires et les cellules hybrides (organiques/inorganiques). Les performances des cellules organiques à base de polymères, dont traite cet article, ont été améliorées significativement au cours des dix dernières années. Cette évolution est due essentiellement à une meilleure compréhension des mécanismes physiques ainsi qu'au développement de nouveaux matériaux organiques nanostructurés. Le fonctionnement de ces cellules repose sur les propriétés...
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Les cellules photovoltaïques organiques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - TANG (C.W.) - Two-layer organic photovoltaic cell - Appl. Phys. Lett., 48, 2, 183-185 (1986).
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