Niveaux énergétiques frontières
Photovoltaïque organique - Ingénierie des matériaux, de la nano-morphologie et des dispositifs

La production d’énergie électrique à partir du rayonnement solaire est dominée, depuis toujours, par des panneaux photovoltaïques dont la couche permettant la conversion est constituée de silicium. Le photovoltaïque organique présente une couche de conversion constituée de semi-conducteurs organiques et possède des propriétés bien spécifiques. Ces propriétés spécifiques donnent au photovoltaïque organique de véritables atouts afin de compléter l’offre actuelle pour une production durable et renouvelable d’électricité. Dans cet article est présenté l’état de l’art du photovoltaïque organique et les points clefs qui doivent être encore développés afin de rendre cette technologie complètement mature. Cet article détaille, lors d’une première section, les principes de fonctionnement de cellules photovoltaïques organiques. Cette première section introduit la notion de photo-génération d’excitons, de dissociation des excitons, de semi-conducteur organique donneur et accepteur d’électrons, et d’hétérojonction volumique. Les points clefs à respecter afin d’obtenir des cellules solaires organiques efficaces sont exposés en détail, en insistant sur l’importance des niveaux énergétiques frontières des semi-conducteurs de la couche active et sur le rôle prépondérant de la morphologie de la couche active à l’échelle du nanomètre. Dans une seconde section, l’ingénierie des matériaux permettant d’ajuster les niveaux énergétiques frontières des semi-conducteurs organiques tout en conservant leurs bonnes propriétés électroniques et de mise en œuvre est détaillée. L’ingénierie moléculaire permet d’envisager une multitude de variations de la structure chimique des semi-conducteurs organiques afin d’ajuster les niveaux énergétiques frontières de ces matériaux. Au final, les semi-conducteurs organiques doivent aussi présenter de bonnes propriétés d’absorption de la lumière (gamme de longueurs d’ondes absorbées mais aussi amplitude du coefficient d’absorption), une mobilité des porteurs de charges suffisante pour extraire efficacement les charges libres, mais également une solubilité adéquate pour être déposés par voie humide. Il est souvent nécessaire de faire des compromis et de privilégier une propriété au détriment d’une autre. Dans une troisième section, l’accent est mis sur le contrôle de la morphologie de la couche active à l’échelle nanométrique, paramètre particulièrement important pour espérer élaborer des cellules photovoltaïques organiques à haut rendement. La morphologie de la couche active à l’échelle nanométrique est fortement dépendante de la structure moléculaire des semi-conducteurs organiques concernés et anticiper, pour des structures moléculaires données, la morphologie d’un mélange à l’échelle nanométrique, est un exercice particulièrement périlleux. Dans une hétérojonction volumique avec des domaines riches en matériau semi-conducteur donneur d’électrons et d’autres riches en matériau semi-conducteur accepteur d’électrons, la taille des domaines est importante mais n’est pas le seul paramètre d’intérêt. La pureté des domaines ainsi que la percolation des domaines vers les électrodes sont des paramètres qui ont un impact considérable sur les performances des cellules solaires organiques. Dans la quatrième section, les principes de base d’ingénierie des dispositifs photovoltaïques organiques sont exposés. Les différentes architectures possibles pour les cellules solaires organiques sont présentées ainsi que le rôle des différentes couches d’interface nécessaires à l’obtention de hauts rendements de conversion. Par manque de place, la part consacrée à l’élaboration, par des méthodes industrielles, des électrodes, des couches d’interface, de la couche active et des couches d’encapsulation ne sera pas détaillée dans cet article. La dernière section de cet article est un exposé de l’état de l’art du photovoltaïque organique et des pistes devant être encore explorées pour donner à cette technologie une vraie chance industrielle. Le domaine du photovoltaïque organique étant très dynamique, les rendements de conversion annoncés dans cette section qui couvre la période 2020-2021 seront sans aucun doute obsolètes rapidement. Néanmoins, l’analyse des stratégies ayant mené à ces résultats donne à l’ensemble de cet article une certaine pérennité.