Cellule photovoltaïque organique

Cellule photovoltaïque organique

Les cellules photovoltaïques organiques sont des cellules photovoltaïques dont au moins la couche active est constituée de molécules organiques.

Elles constituent une tentative de réduction du coût de l'électricité photovoltaïque, sans conteste la principale barrière de cette technologie, mais on espère aussi qu'elles seront plus fines, flexibles, faciles et moins chères à produire, tout en étant résistantes.
Les cellules photovoltaïques organiques bénéficient en effet du faible coût des semi-conducteurs organiques ainsi que de nombreuses simplifications potentielles dans le processus de fabrication[1],[2].

Sommaire

Typologie

Il en existe principalement de trois types :

  1. Les cellules photovoltaïques organiques moléculaires
  2. Les cellules photovoltaïques organiques en polymères
  3. Les cellules photovoltaïques hybrides

Histoire

Elles sont apparues dans les années 1990.

Les concepts

On distingue dans les semi conducteurs organiques les polymères, qui se déposent par centrifugation, des matériaux de petites molécules déposés eux par thermo-évaporation.

Utilisant comme substrat du plastique (PEN, PMMA ...), ces cellules offrent la perspective d'une production en continu (roll-to-roll) qui permettrait enfin l'accès à des panneaux solaires à un prix raisonnable.

Principes de fonctionnement

Tout comme leurs pendant inorganique, les cellules solaires organiques utilisent l'effet photovoltaïque pour transformer l’énergie lumineuse en électricité. Brièvement l'effet est basé sur les propriétés de matériaux semi-conducteurs: dans ces matériaux les électrons possèdent deux états particuliers: un état au repos et un état excité. Si son énergie est suffisante, un rayonnement lumineux peut faire passer l’électron du repos à l'état excité. Dans un semi-conducteur inorganique, l'électron excité peut alors se déplacer, générant ainsi le courant électrique.

La situation est plus complexe dans un matériel organique. En effet si la charge (l'électron) en milieu inorganique est très diffuse et ne ressent que peu l'attraction de la charge de signe opposée (appelée le trou) qu'elle laisse en s'en allant; la situation est très différente dans un matériel organique. Dans un matériel organique, une charge est généralement confinée à une molécule ou au mieux quelques-unes. Du fait de cette faible extension, l'électron ressent très fortement l'attraction de la contre-charge qu'il laisserait en s'éloignant. De fait cet électron-excité et cette place libre (trou, chargé positivement) ne peuvent se séparer l'un de l'autre et voyagent de concert jusqu'à ce que l'électron revienne dans son état au repos, éventuellement en réemittant une partie de l'énergie lumineuse qui l'avait amené dans cet état excité. Ces deux charges de signe opposé voyageant ensemble, le courant résultant est nul.

Pour séparer ses charges, il est nécessaire d'utiliser un deuxième matériau très friand en électron appelé l'accepteur d'électron. L'attraction de l’électron pour ce matériau va compenser celle qui le lie à son ancienne position. Toute la difficulté des cellules photovoltaïques organiques est de trouver le matériau qui permettra cette dissociation, et de s'assurer que l’électron excité ainsi que l'état libre au repos (le trou) qui l'accompagne atteigne toujours une interface (appelée hétéro-jonction) avec le second matériau avant que l'électron ne retombe au repos. Ce qui en pratique a lieu à l'échelle de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres. De plus, une fois séparé de son trou, l'électron doit encore trouver, jusqu'à l’extérieur du dispositif un chemin composé exclusivement du deuxième matériau; en effet en repassant dans le premier matériaux, il aurait toutes les chances de recroiser la route d'un trou laissé libre par un autre électron, et de retourner dans une position au repos immobile.

État de l'art

Encore au stade de la recherche expérimentale, le record de rendement avec des cellules solaires en polymère était en 2008 compris entre 4 et 5% ; En 2008, en laboratoire, un record mondial de 5,9% a été atteint en juillet 2008 à l'Institut de photovoltaïque appliquée de l'Université technique de Dresde.

Les cellules photovoltaïques à base de molécules organiques offrent un rendement moins élevé encore que les cellules en polymère, mais leur performance a été améliorée récemment. En 2009, des chercheurs des universités françaises d'Angers et de Strasbourg ont réussi à augmenter leur rendement en le faisant passer de 0,2% à 1,7%. En 2010, une équipe de chercheurs américaine a de nouveau amélioré ce rendement en le portant à 2,5%[3].

Difficultés

Avant une possible commercialisation, des avancées concernant l'efficacité et l'encapsulation doivent encore être réalisés. En effet, l'oxygène, très électronégatif, réagit avec les électrons en excès et réduit fortement le niveau de dopage.

Recherche

Nanotechnologies : En laboratoire, des cellules solaires hybrides ont gagné 2% de rendement grâce un dopage dopant une couche de polymères organiques par des nanoparticules inorganiques, via un traitement spécial de surface fait par dépôt de nanoparticules en exploitant des points quantiques de sélénide de cadmium (méthode brevetée) [4],[5].

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Bibliographie

Notes et références

  1. Sonniger Rekord: Durchbruch für die Hybrid-Solarzelle, article du centre de recherche sur les matériaux (FMF) ; 2010/02/01
  2. Des scientifiques renforcent l'efficacité des cellules solaires, Article cordis ; 2010/02/17
  3. photovoltaique-organique.comCellule photovoltaïque organique moléculaire.
  4. Selon le groupe de recherche "Cellules solaires à pigments photosensible et organiques" (Dye and Organic Solar Cells) de l'Institut Fraunhofer des systèmes énergétiques solaires (ISE)
  5. Yunfei Zhou,Frank S. Riehle, Ying Yuan,Hans-Frieder Schleiermacher, Michael Niggemann, Gerald A. Urban and Michael Krüger - "Improved efficiency of hybrid solar cells based on non-ligand-exchanged CdSe quantum dots and poly(3-hexylthiophene)" - Applied Physics Letters 96 ; 2010/01/07 - DOI:10.1063/1.3280370

Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Cellule photovoltaïque organique de Wikipédia en français (auteurs)

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