Cellules photovoltaïques organiques souples à grande surface
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Thèse soutenue le 03 septembre 2010: Bordeaux 1
Afin d’obtenir une approche où l’aspect industriel du projet est soutenu par les connaissances académiques et les capacités analytiques du monde de la recherche, ce travail portant sur les cellules photovoltaïques organiques souples grande surface commence par décrire l’énergie photovoltaïque dans son ensemble. Les tenants et aboutissants de son développement sont détaillés, ainsi que ses filières technologiques. Les semi-conducteurs organiques, les mécanismes physiques mis en jeu dans la production d’électricité d’origine photovoltaïque et les grandeurs électriques associées aux cellules photovoltaïques organiques ainsi que les différentes structures de celles-ci sont ensuite présentés. Les dispositifs réalisés dans le cadre de ce travail sur les cellules photovoltaïques organiques sont présentés. Les différentes techniques de dépôt de couches minces, aussi bien celles permettant la production en masse que celles permettant la production à plus petite échelle sont présentées. Cette présentation s’accompagne d’une recherche qui se veut exhaustive des publications relatant l’utilisation des ces techniques d’impression afin de créer des dispositifs photovoltaïques organiques. Une comparaison de ces différentes techniques est menée afin de déterminer les modes de production pertinents. Une étude bibliographique complète menée sur les cellules « grande surface » est présentée. Les cellules et modules réalisés grâce au procédé pilote d’enduction par héliogravure sont ensuite présentés. Le travail réalisé sur un autre procédé, le « doctor blade », est ensuite exposé. Enfin, la problématique du séchage et du recuit des couches minces déposées en continu est posée, et le traitement micro-onde proposé comme solution.
-Micro-onde
-Recuit
-Cellule photovoltaïque organique
-Couche mince
-Grande surface
-Polymère
-Roll to roll
-Impression
-Électronique organique
To obtain an approach where the industrial aspect of the project is supported by academic knowledge and the analytical capacities of research, this work concerning the large area flexible organic solar cells begins by describing the photovoltaic energy in general. The ins and outs of its development are detailed, as well as the different technologies involved. The organic semiconductors, the physical mechanisms involved in the photovoltaic electricity production and the physical values attached to the organic solar cells as well as the various structures of these cells are then presented. Devices realized within the framework of this work are then presented. The various techniques of depositing thin layers allowing the mass production as well as those allowing the smaller-scale production are presented. This presentation comes along with an exhaustive research of the publications telling the use of these techniques of printing to create organic photovoltaic devices. A comparison of those various techniques is led to determine the relevant means of production. A complete bibliographical study led on large area organic solar cells is presented. Cells and modules realized thanks to the experimental process of heliogravure coating are then presented. The work realized with another process called doctor blade is then exposed. Finally, the problem of the drying and annealing of the thin layers deposited continuously is raised, and the microwave treatment proposed as a possible solution.
-Microwave
-Annealing
-Organic solar cell
-Photovoltaic
-Large area
-Thin layer
-Polymer
-Roll to roll
-Printing
-Electronic organics
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14053/document
N° d’ordre : 4053 THÈSE DE DOCTORAT
Présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX I
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES
Par Loïc BAILLY
Pour obtenir le grade de
Docteur
Spécialité : Chimie Physique
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CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES
SOUPLES A GRANDE SURFACE
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Soutenue le 03 septembre 2010
Mme Christine Dagron-Lartigau, Maître de conférences, IPREM/EPCP, Pau Rapporteur
Mr Ludovic Escoubas, Professeur, IM2NP, Marseille Rapporteur
Mr Jean-Paul Parneix, Professeur, IMS, Bordeaux Directeur de thèse
Mme Laurence Vignau, Maître de conférences, IMS, Bordeaux Co-directeur de thèse
Mr Patrice Gaillard, Industriel Examinateur
Mme Valérie Vigneras, Professeur, IMS, Bordeaux Examinateur
Mr Gérard Dulin, Industriel Invité
Mr Gilles Ruffié, IMS, Bordeaux Invité
Sommaire
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................................ 11
CHAPITRE I : L’ÉNERGIE PHOTOVOLTAÏQUE ORGANIQUE ............................................................................... 16
I.1. L’ÉNERGIE PHOTOVOLTAÏQUE : GÉNÉRALITÉS ........................................................................................... 18
I.1.1. Le défi énergétique ............................................................................................................................. 18
I.1.1.1. Besoins énergétiques mondiaux, un enjeu majeur ...................................................................................... 18
I.1.1.2. Des énergies polluantes et non-renouvelables ............................................................................................ 19
I.1.1.3. Les énergies renouvelables : un rôle à jouer ................................................................................................ 23
I.1.2. L’énergie photovoltaïque : les filières technologiques ........................................................................ 25
I.1.2.1 Le silicium ...................................................................................................................................................... 26
I.1.2.2 Cellules couche mince : les chalcogénures .................................................................................................... 28
I.1.2.3 Les cellules III-V multijonction ....................................................................................................................... 29
I.1.2.4 Les cellules nanocristallines à colorant ou cellules « de Graëtzel » ............................................................... 30
I.1.2.5 Les cellules photovoltaïques organiques ....................................................................................................... 31
I.2 LES SEMI-CONDUCTEURS ORGANIQUES.................................................................................................................. 31
I.2.1 Interactions photon/électron, notion de matériau conducteur, isolant, semi-conducteur .................. 31
I.2.2 Cas des matériaux semi-conducteurs organiques................................................................................ 33
I.2.3 Exemple de molécules semi-conductrices organiques ......................................................................... 35
I.3 MECANISMES PHYSIQUES EN JEU DANS LES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES .................................................. 36
I.3.1 Absorption d’un photon ....................................................................................................................... 37
I.3.2 Diffusion de l’exciton ........................................................................................................................... 38
I.3.3 Dissociation de l’exciton ...................................................................................................................... 38
I.3.4 Transport des porteurs de charges ...................................................................................................... 40
I.3.5 Collecte des porteurs de charge ........................................................................................................... 40
I.4 CARACTERISATION DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES............................................................................. 42
I.4.1 Simulation du spectre solaire ............................................................................................................... 42
I.4.2 Caractéristiques I(V) ............................................................................................................................ 43
I.4.3 Le courant de court-circuit Icc .............................................................................................................. 44
I.4.4 La tension de circuit ouvert Vco ........................................................................................................... 44
I.4.5 Le facteur de forme FF ......................................................................................................................... 45
I.4.6 Rendement de conversion en puissance PCE ....................................................................................... 45
I.4.7 Schéma équivalent d’une cellule .......................................................................................................... 46
I.5 STRUCTURES DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES .................................................................................... 47
I.5.1 Structure monocouche (de type Schottky) ........................................................................................... 47
I.5.2 Structure bicouche (de type jonction PN) ............................................................................................ 48
I.5.3 Hétérojonction en volume (« blend heterojunction») .......................................................................... 49
I.5.4 La structure tandem ............................................................................................................................ 50
CONCLUSION DU CHAPITRE I .................................................................................................................................... 52
CHAPITRE II : LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES ORGANIQUES SOUPLES GRANDE SURFACE ......................... 53
II.1 L’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE A SONY DAX TEC ..................................................................................................... 55
II.2 CONTEXTE BIBLIOGRAPHIQUE ............................................................................................................................. 56
II.2.1 Les principales techniques industrielles d’impression ......................................................................... 56
II.2.1.1 Le spin coating .............................................................................................................................................. 57
II.2.1.2 Le Doctor Blade ............................................................................................................................................ 57
II.2.1.3 La sérigraphie ............................................................................................................................................... 60
II.2.1.4 Le brush painting .......................................................................................................................................... 61
II.2.1.5 Le jet d’encre ............................................................................................................................................... 62
II.2.1.6 Le procédé d’impression offset .................................................................................................................... 65
II.2.1.7 La flexographie ............................................................................................................................................. 67
II.2.1.8 L’héliogravure ............................................................................................................................................... 68
II.2.1.9 L’horizontal dipping ...................................................................................................................................... 70
II.2.2 Comparaison des différentes techniques d’enduction pour l’application photovoltaïque organique 71
II.2.3 De l’importance des conditions de dépôt des films sur la morphologie et
