Aujourd'hui, les cellules solaires commercialisées sont faites essentiellement de silicium. Celui-ci peut être amorphe, polycristallin, ou, pour les plus efficaces, monocristallin. Contrairement aux cellules solaires organiques photovoltaïques pour lesquelles l'intérêt n'a commencé qu'à partir des années 1990, les propriétés photovoltaïques du silicium sont connues depuis 1839 et ont été utilisées dans les panneaux solaires dès 1954, en particulier dans les technologies aérospatiales.

Cependant, les cellules organiques ont fait d'énormes progrès après près de 20 ans de recherche et commencent elles aussi, depuis quelques années, à être industrialisées. Ceci vient du fait qu'elles présentent plusieurs avantages non négligeables à l'heure actuelle, même s'il subsiste des inconvénients, comme, en particulier, leur faible rendement en courant électrique. En effet, le rendement n'est que de 2 à 5 voire 7% au maximum contre 10 à 30% pour le silicium. En revanche, le faible coût de ces cellules les rend intéressantes pour certaines applications bien spécifiques. Un autre point intéressant de cette technologie tient au fait  que les cellules ainsi réalisées sont flexibles et, éventuellement, transparentes (cellules Grätzel). Des cellules flexibles à base de silicium ont aussi été réalisées depuis quelques années, mais leur rendement est alors du même ordre que celui des cellules organiques et leur poids est plus important.

 

Après cette brève présentation de cette technologie, voyons comment cela fonctionne.

Ci-dessous, vous avez une animation qui montre ce qui se passe quand la lumière pénètre dans la cellule:

Voici quelques explications concernant les différentes étapes que vous pouvez observer.

1. Les photons du rayonnement solaire atteignent la cellule et sont absorbés par la couche de polymère semi-conducteur (polymère π-conjugué).

2. Les électrons π délocalisés (qui assurent la cohésion de la double liaison) sont heurtés et passent dans un état excité. A ce moment, il y a création d'une paire électron/trou (Le trou étant le nom donné à la charge positive) appelé exciton.

3. L'état excité de l'électron lui permet de se déplacer dans le matériau, mais, en raison de la composition spéciale de la cellule (différence de potentiel entre les deux électrodes), les électrons ne peuvent bouger que dans une seule direction, opposée à celle du trou.

4. L'électron atteint alors l'anode et arrive ainsi dans le circuit pour produire de l'énergie électrique utilisable avant de retourner dans la cellule et de se recombiner avec la charge positive.

 

Voyons quels sont les phénomènes qui peuvent engendrer un rendement relativement faible:

• Le premier problème se situe à la première étape (une des plus critiques) qui concerne la création de l'exciton. En effet, comme vous pouvez le voir dans l'animation, lorsque la distance entre la charge positive et la charge négative n'est pas suffisante, nous avons une recombinaison de cette paire à l'intérieur de la couche polymère et aucune électricité n'est produite. Aussi, pour réussir cette séparation, nous devons utiliser deux matériaux différents, ce qui peut se comparer à la jonction P/N classique dans les cellules solaires inorganiques ou dans d'autres composants électroniques. Le premier de ces matériaux est appelé "donneur d'électrons", c'est dans celui-ci que les excitons sont créés et que les trous circulent. Le second, "Accepteur d'électrons", doit être un bon conducteur d'électrons afin d'attirer l'électron et ainsi accroître la séparation.

• Le second problème important qui entraîne une baisse significative du rendement vient de la conception de la cellule. Cela concerne particulièrement la liaison entre la couche de polymère et l'électrode: lorsque l'affinité entre les deux matériaux est trop faible, le déplacement de l'exciton s'arrête. Ce problème survient essentiellement avec la cathode qui est généralement constituée d'un matériau minéral comme l'ITO (Indium Tin Oxide). Pour pallier à ce problème de compatibilité, il est habituel d'utiliser un troisième matériau qui a une bonne affinité tout à la fois avec le polymère et avec l'électrode. Il s'agit généralement d'un polymère mixte PEDOT-PSS qui est à la fois transparent à la lumière et bon conducteur. Voici sa structure:

En tenant compte de toutes ces considérations, voici la structure typique d'une cellule solaire organique:

• Le support protecteur doit être transparent à la lumière solaire. Ce peut être du verre, du PET, du PC, du PMMA ou autres…

• Les électrodes doivent être dans des matériaux différents en raison de la différence de potentiel nécessaire. La cathode doit être transparente à la lumière comme le support et être aussi un bon conducteur, on utilise généralement un alliage minéral comme l'ITO ou d'autres oxydes. L'anode n'a pas besoin d'être transparente et est habituellement en métal, fortement conducteur, comme l'aluminium, l'or ou autres…

• La couche donneur d'électrons: C'est le matériau actif, qui doit absorber la lumière dans le spectre le plus large possible. Il doit avoir une structure conjuguée et c'est souvent un polymère (MEH-PPV ou P3HT) ou une petite molécule organique (Colorant organique).
• La couche accepteur d'électrons: Ce doit être un bon conducteur d'électrons, généralement basé sur une structure carbone tels que les fullerènes ou les nanotubes de carbone. L'un des plus communs est le PCBM, un dérivé du fullerène plus soluble et compatible. D'autres matériaux peuvent être utilisés comme des dérivés du perylène

Voici un exemple de cellule solaire organique

 

Pour plus d'informations sur les cellules solaires organiques ou sur les procédés de fabrication, vous pouvez consulter les liens que nous vous proposons.