Etude théorique des cellules solaires PV organiques: structure réseau interpénétré polymère conjugué-fullerène et cellules Graetzel

Abstract

Le photovoltaïque est aujourd'hui une technologie d'énergie renouvelable en plein essor. La croissance du marché a été comprise entre 15% et 20% durant la dernière décennie. Malgré le développement des matériaux et des méthodes de fabrication fortement soutenus par la croissance de l'industrie des semi-conducteurs, le coût des cellules solaires est resté élevé. Cependant, de nouveaux matériaux photovoltaïques ont été développés durant les dernières années, cela pourrait bien ouvrir la voie à une production de cellules à faible coût. L'objectif de notre étude était de faire un examen exhaustif de la littérature sur les nouvelles cellules solaires organiques à base de polymères et celles dites de Graetzel. Dans la première partie de notre mémoire, nous avons étudié les cellules organiques en con- guration réseau interpénétré, où le matériau composite formé par deux matériaux, l'un donneur et l'autre accepteur d'électron, est con né entre deux électrodes. Nous avons étudié en premier le donneur qui n'est autre qu'un polymère. Ce dernier est dit conjugué s'il y a alternance de liaisons et le long de sa chaîne carbonée (l'exemple donnée était le trans-polyacétylène), cette caractéristique joue un rôle primordial dans la conductivité électrique. Aussi, nous avons pu voir qu'on a recours au dopage chimique pour faire augmenter la conductivité d'un polymère conjugué, cette technique peut faire atteindre à ce dernier un régime quasi-métallique. Deuxièmement, nous avons analysé le coté accepteur du composite : le fullerène. Il en existe plusieurs types avec di érentes formes (sphère, ellipsoïde, tube, ...). La molécule qui nous intéresse est le C60 (60 carbones formant une sphère). Tout l'intérêt de la con guration en réseau interpénétré réside dans l'accroissement des interfaces entre donneur et accepteur ce qui permet une meilleure e cacité dans la dissociation des excitons. L'optimisation des di érents paramètres de cette structure telles que la mobilité des charges, la réduction de l'énergie du gap ainsi que l'augmentation du coe cient d'absorption représente une des nombreuses stratégies qui visent à améliorer le rendement des cellules solaires organiques. Dans la deuxième partie, nous avons introduit la cellule solaire à colorant (DSSC ou Graetzel). Elle peut être décrite comme une cellule électrochimique. Le principe de fonctionnement d'une DSSC est très simple, il repose essentiellement sur l'injection e cace d'électrons à partir d'un colorant et aussi sur des réactions d'oxydo-réduction dans l'électrolyte. L'étude théorique montre clairement la complémentarité des étapes clés de la génération de photocourant au sein de ce type de cellule. Ainsi, l'absorption de la lumière incidente se fait grâce au colorant qui injecte des électrons, ces derniers sont transportés via l'électrode TiO2 et les trous sont portés par l'électrolyte. La procédure de fabrication d'une cellule solaire à colorant est très simple, et les matériaux constituant cette dernière sont disponibles et pas trop couteûx. L'optimisation des performances de la cellule passe inévitablement par l'amélioration des caractéristiques de ces matériaux. La simplicité et la légèreté des cellules Graetzel ont poussé de nombreux étudiants à travers le monde entier à donner libre cours à leurs imagination. Ainsi, les trois projets décrits dans ce 69 mémoire ne sont qu'un avant goût de ce qu'on peut faire et où on peut appliquer cette technologie révolutionnaire. Donc, pour nir, on peut dire que dans le domaine des nouvelles technologies pour l'énergie, le solaire photovoltaïque est en train de devenir un axe de développement industriellement fort maintenant qu'il existe une volonté de réduction de la consommation d'énergie fossile et des émissions de gaz à e et de serre. Dans ce contexte, une recherche de base est indispensable pour valider et démontrer l'intérêt d'une lière organique par un abaissement décisif des coûts (en terme de matériaux et procédés industriels). Conscient de l'intérêt croissant dont béné cieront les énergies renouvelables dans les prochaines années, il est impératif pour notre pays de prendre toutes les dispositions et mettre tous les moyens pour rattraper son retard dans ce domaine.