Plateforme C3 Fab - Élaboration et caractérisation de Composants, Cellules PV et Capteurs

Zone caractérisation

De Plateforme C3 Fab - Élaboration et caractérisation de Composants, Cellules PV et Capteurs
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Characterisation zone

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Zone de caratérisation

Contact : Sadiara FALL


Dans les cellules photovoltaïques organiques la couche active, composée d'un mélange de matériaux donneur et accepteur d'électrons, est prise en sandwich entre l'anode et la cathode. On peut distinguer différentes structures selon que la cellule est éclairée par l'anode ou par la cathode :

  • les cellules à structure directe (voir schéma ci-contre) sont éclairées par l'anode ; la succession des couches à partir du substrat de verre est : anode (couche conductrice transparente, généralement une bicouche composée d'ITO et de PEDOT:PSS), couche active et cathode (couche métallique, généralement une bicouche composée de calcium et d'aluminium)
  • les cellules à structure inverse sont éclairées par la cathode ; la succession des couches à partir du substrat de verre est : cathode (couche conductrice transparente, généralement une bicouche composée d'ITO et de PEIE), couche active et anode (couche métallique, généralement une bicouche composée d'oxyde de molybdène MoO3 et d'argent)
Schéma de principe d'une cellule photovoltaïque organique en architecture standard


Pour les différentes caractérisations effectuées au laboratoire, les masques utilisés lors de la phase d'évaporation permettent d'obtenir des cellules avec quatre diodes de 12 mm2 ou deux diodes de 24 mm2 par substrat de verre. Si des besoins particuliers se présentent, d’autres architectures de dispositifs et d’autres tailles d’électrodes peuvent être envisagées (les demandes peuvent simplement être adressées par courriel).

La caractérisation des cellules photovoltaïques organiques est réalisée dans la zone dédiée de l'un des systèmes de boîtes à gants au moyen des méthodes décrites ci-dessous.


Mesure des caractéristiques électriques sous simulateur solaire

Les caractéristiques électriques des cellules photovoltaïques organiques sont évaluées à partir de la mesure de la variation du courant en fonction de la tension appliquée, d'abord dans un mode appelé "sous obscurité" qui signifie simplement que la cellule n'est pas éclairée, puis dans le mode "sous illumination", c'est-à-dire alors que la cellule est éclairée par un simulateur solaire (Fig. 1).
Un logiciel développé en interne (Fig. 2) extrait, à partir des caractéristiques I(V) mesurées dans les deux modes (Fig. 3), les différents paramètres photovoltaïques des cellules : la tension de circuit ouvert Voc (oc pour "open circuit"), le courant de court circuit Jsc (sc pour "short circuit"), le facteur de forme FF et le rendement de conversion (PCE pour "Power Conversion Efficiency").

Le simulateur solaire utilisé est un simulateur de classe AAA AM1.5G qui délivre 100 mW/cm2. Cette intensité peut être réduite, jusqu'à 0,9 mW/cm2, en interposant des filtres neutres entre la source lumineuse et la cellule.
Le dispositif de mesure des caractéristiques électriques est un bras à 4 pointes qui permet de mesurer simultanément les caractéristiques de 4 diodes de la cellule. Toutes les mesures sont automatisées et la calibration de l'équipement est régulièrement vérifiée à l'aide d'une cellule de référence à base de silicium.

Simulateur solaire
Logiciel
Caractéristiques I(V)

Fig. 1 : Mesure de la caractéristique I(V) sous illumination

Fig. 2 : Logiciel de pilotage pour la mesure des caractéristiques I(V)

Fig. 3 : Caractéristiques I(V) mesurées sous obscurité (courbe bleue) et sous illumination (courbe rouge) sur une cellule photovoltaïque de 12 mm2 dont le matériau donneur de la couche active est un polymère fluoré. Paramètres photovoltaïques : Voc = 752 mV ; Jsc = 15,1 mA/cm2 ; FF = 67,5% ; PCE = 7,6%

Mesure de la réponse spectrale

La réponse spectrale des cellules photovoltaïques organiques est obtenue à partir de la mesure, en fonction de la longueur d'onde, de l’intensité lumineuse incidente, de l’intensité lumineuse réfléchie et du courant photogénéré.
Dans le banc de mesure de la réponse spectrale (Fig. 4) installé dans la boîte à gants, la lumière blanche incidente est d'abord décomposée par un monochromateur qui a une résolution de 5 nm pour des longueurs d’onde comprises entre 350 et 1300 nm. Les intensités lumineuses incidente et réfléchie, ainsi que le courant photogénéré, sont ensuite enregistrés simultanément à chaque longueur d'onde. Ces données servent finalement à calculer l'efficacité quantique externe (EQE pour "External Quantum Efficiency", Fig. 5) et à estimer l’efficacité quantique interne (IQE pour "Internal Quantum Efficiency").

Banc de mesure de la réponse spectrale
Réponse spectrale

Fig. 4 : Banc de mesure de la réponse spectrale

Fig. 5 : Réponse spectrale mesurée sur une cellule photovoltaïque organique dont la couche active est un mélange P3HT:PCBM

Mesures transitoires

Banc de mesure de la TPV et de la CE

Un banc de mesure dédié donne accès aux caractéristiques transitoires que sont la phototension transitoire (TPV pour "Transient PhotoVoltage") et l'extraction de charges (CE pour "Charge Extraction").
Pour ces mesures, deux diodes électroluminescentes sont utilisées pour éclairer les cellules photovoltaïques organiques :

  • l'une délivre une lumière blanche dont le spectre d’émission, qui correspond au rayonnement d'un corps noir à 5900 K, est proche du spectre solaire
  • l'autre délivre une lumière verte pulsée à 535 nm


Pour la mesure de la TPV, la cellule est d'abord éclairée avec la lumière blanche, utilisée en mode continu, dont l'intensité fixe la tension de circuit ouvert Voc. Elle est ensuite éclairée avec la lumière verte pour augmenter Voc de ΔV (Fig. 6). Le retour à l'équilibre qui s'effectue à la fin de l'impulsion verte est caractérisé par un temps τΔn qui reflète la recombinaison des porteurs de charges. En pratique, on répète cette mesure pour différentes valeurs de l'intensité de la lumière blanche afin d'obtenir la variation de τΔn en fonction de Voc (Fig. 7).

Principe de la TPV
Variation de τΔn en fonction de Voc pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT:PCBM

Fig. 6 : Principe de la TPV qui permet la détermination du temps caractéristique de la recombinaison des porteurs de charges en fonction de Voc

Fig. 7 : Variation de τΔn en fonction de Voc pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT:PCBM


Pour la mesure de la CE, la cellule est éclairée avec la lumière blanche, utilisée à la même intensité que durant la TPV mais en mode pulsé. À la fin de l’impulsion la résistance aux bornes de l’oscilloscope passe de 5 MΩ à 50 Ω (Fig. 8). La concentration n de porteurs de charge est liée à la tension de circuit ouvert Voc et, en répétant cette mesure pour différentes valeurs de l'intensité lumineuse, il est possible d'obtenir la variation de la concentration n de porteurs en fonction de Voc (Fig. 9).

La combinaison des mesures de TPV et CE permet d'obtenir la variation du temps caractéristique τΔn de recombinaison des porteurs de charges en fonction de leur concentration n (Fig. 10).


 
 

Principe de la CE

Fig. 8 : Principe de la CE qui permet la détermination de n en fonction de Voc

Variation de la concentration n de porteurs de charge en fonction de Voc pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT:PCBM Variation de τΔn en fonction de la concentration n de porteurs de charge pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT:PCBM

Fig. 9 : Variation de la concentration n de porteurs de charge en fonction de Voc pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT:PCBM

Fig. 10 : Variation de τΔn en fonction de la concentration n de porteurs de charge pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT:PCBM