Polymer solcelle

De fotovoltaiske celler polymerer betegne en type solcelle organisk produsere elektrisitet fra lys ved hjelp av halvleder polymerer . I 2011 er det en relativt nylig teknikk som er studert i laboratoriet av industrigrupper og universiteter over hele verden.

Fortsatt i stor grad på det eksperimentelle stadiet, tilbyr solceller i polymer likevel interessante muligheter. De er basert på organiske makromolekyler avledet fra petrokjemikalier , hvis produksjonsprosesser bruker mye mindre energi enn de som brukes til celler basert på mineralske halvledere . Kostprisen deres er mye lavere, og de er lettere og mindre skjøre. Deres fleksible natur gjør dem til og med egnet for å integreres i fleksible materialer laget av organiske polymerer eller silikoner , eller til og med i tekstilfibre. Deres utvikling kan dra nytte av fremskritt innen kjemiteknikk , for eksempel i selvmontering av disse molekylene. Deres viktigste svakhet ligger i deres fremdeles begrensede levetid indusert av nedbrytningen av polymerer når de blir utsatt for solen.

Prinsipp for drift

Fysikken som ligger til grunn for den fotovoltaiske effekten i organiske halvledere er mer kompleks å beskrive enn den for uorganiske halvlederceller. Det involverer de forskjellige molekylære orbitalene , noen spiller rollen som valensbånd , andre som ledningsbånd , mellom to forskjellige molekylarter, den ene fungerer som elektrondonor og den andre som akseptor, organisert rundt et heterojunksjon som i tilfelle av mineral halvledere:

  1. Molekylene som tjener som elektrondonorer (ved generering av excitons , det vil si elektron - hullparene ) er karakterisert ved nærvær av n-elektroner , vanligvis i en så- kalt “ n- type” konjugert polymer  .
  2. Disse elektroner kan eksiteres av synlig fotoner eller i nærheten av det synlige spektrum, noe som får dem til å passere fra den okkuperte høy molekyl orbital (her spiller en rolle er analog med den i den valensbåndet i en uorganisk halvleder ) til den molekylorbital. Ubesatt bass (spille en rolle som er analog med ledningsbåndets ): dette kalles π-π * -overgangen (som tilsvarer, fortsetter analogien med mineralhalvledere, til injeksjonsbærerne i ledningsbåndet gjennom det forbudte båndet ). Energien som kreves for denne overgangen bestemmer den maksimale bølgelengden som kan konverteres til elektrisk energi av den konjugerte polymeren.
  3. I motsetning til hva som skjer i en uorganisk halvleder, den elektron - hull -par , i et organisk materiale, holdes tett lokalisert, med en sterk kopling (og en bindingsenergi på mellom 0,1 og 1,6  eV ); dissosiasjon av excitons utføres ved grenseflaten med en elektronakseptor materiale under påvirkning av en kjemisk potensial gradient ved opprinnelsen av den elektromotoriske kraft til anordningen. Disse elektronakseptorene sies å være “ p- type  ”.

Materialer

De organiske solcellene bruker ofte filmer poly (etylennaftalat) (PEN) som beskyttende belegg på overflaten, hvis primære rolle er å forhindre oksidasjon av materialene som utgjør den organiske solcellen: O 2er virkelig en urenhet som fungerer som et elektronhulls rekombinasjonssenter, som forringer den elektroniske ytelsen til komponenter. Under disse beskyttende belegg er det ett eller flere p - n kryss mellom elektrondonor og akseptormaterialer, som i en konvensjonell uorganisk halvleder solcelle .

Et eksempel på realisering består i å sette inn molekyler av fulleren C 60som elektronakseptorer (type n ) mellom kjeder av konjugerte polymerer (for eksempel PEDOT: PSS , dannet av poly (3,4-etylendioksyktiofen) (PEDOT) som en elektrondonor (type p ) blandet med poly (styren) sulfonat) (PSS ) sikrer løseligheten).

Generelt er dagens forskning fokusert for eksempel på polytiofenderivater som p- type polymerer , spesielt poly (3-heksyltiofen) (P3HT) , med fullderenderivater som akseptorer (type n ) slik som [6.6] -fenyl-C 61-metylbutyrat (PCBM) .

Andre p  /  n- par studeres, noen basert på para-fenylen-vinylen (PPV) som givere, slik som MEH-PPV  /  PCBM eller MDMO-PPV  /  PCBM , eller begge som givere og som akseptorer, for eksempel enn MDMO-PPV  /  PCNEPV . Mer nylig dukker copolymerer med lavt båndgap opp i organiske solceller med høy ytelse, som PCDTBT  /  PCBM .

Belegg

Polymer solceller kan avsettes på fleksible overflater slik som blekk ved bruk av billige prosesser, og kan derfor gjøre det mulig å lage billige solceller. Imidlertid tilbyr de for øyeblikket bare effektiviteter som ikke overstiger 5% i laboratoriet, og må derfor forbedres betydelig før de kan spille en viktig rolle i produksjonen av solcellsenergi.

Merknader og referanser

  2. (i) PJ Alet Palacin1 S., P. Roca I. Cabarrocas B. Kalache, Mr. Firon, R. Bettignies, "  Hybrid solceller basert på tynn film silisium og P3HT - Et første skritt i retning av nanostrukturerte enheter  ” , Eur. Phys. J. Appl. Phys. , vol.  36,2006, s.  231-234 ( DOI  10.1051 / epjap: 2006145 , lest online , åpnet 12. juni 2009 )
  3. (in) Mr. Valadaresa I. Silvestrea HDR Caladob, BRA Nevesa PSS Guimarãesa THE Curya, "  BEHP-PPV og P3HT blander for lysemitterende enheter  " , Materials Science and Engineering C , Vol.  29, n o  to 2009, s.  571-574 ( DOI  10.1016 / j.msec.2008.10.006 , les online , åpnet 12. juni 2009 )
  4. (i) P. Vanlaekea, A. Swinnenb I. G. Haeldermansb Vanhoylandb T. Aernoutsa, Cheynsa D., C. Deibela, J. D'Haena, P. J. Heremansa Poortmansa JV Mancaa, "  P3HT / PCBM bulk heterojunction solceller: Forholdet mellom morfologi og elektrooptiske egenskaper  ” , Solar Energy Materials and Solar Cells , vol.  90, nr .  14, 2006, s.  2150-2158 ( DOI  10.1016 / j.solmat.2006.02.010 , lest online , åpnet 12. juni 2009 )
  5. (in) Xianyu Deng Liping Zheng Yang Chunhe, Yongfang Li Gang Yu, Cao Yong, "  Polymer Photovoltaic Devices Fabricated with MEHPPV Blend and Organic Small Molecules  " , J. Phys. Chem. B , vol.  11 n o  108, 2004, s.  3451–3456 ( DOI  10.1021 / jp036649i , leses online , åpnet 13. juni 2009 )
  6. (i) Sylvain Chambon Rivaton Agnes, Jean-Luc Gardette, Muriel Firon, "  foto- og termisk nedbrytning av MDMO-PPV: PCBM blander  " , Solar Energy Materials og Solar Cells , vol.  91, n o  5, 2007, s.  394-398 ( DOI  10.1016 / j.solmat.2006.10.015 , lest online , åpnet 13. juni 2009 )
  7. (in) Your Offermans, Paul A. van Hal, Stefan CJ Meskers, Marc M. Koetse René AJ Janssen, "  exciplex dynamics in a blend of π-conjugated polymeres with electron donating and accepting properties: MDMO-PPV and PCNEPV  " , Phys. Rev. B , vol.  72, 2005, s.  045213 ( DOI  10.1103 / PhysRevB.72.045213 , lest online , åpnet 12. juni 2009 )
  8. (in) Magdalena mandoc, Welmoed Veurman, Jan Anton Koster, Mr. Marc Koetse Jorgen Sweelssen Bert de Boer, Paul WM Blom, "  transportutgifter i MDMO-PPV: PCNEPV allpolymer solceller  " , J. Appl. Phys. , vol.  101,2007, s.  104512 ( DOI  DOI: 10.1063 / 1.2734101 , lest online , åpnet 12. juni 2009 )
  9. Nicolas Blouin , “  A Low-Bandgap Poly (2,7-Carbazole) Derivative for Use in High-Performance Solar Cells  ”, Advanced Materials , vol.  19, nr .  17,2007, s.  2295-2300

Relaterte artikler