Appareils photovoltaïques, également connu sous le nom de cellules solaires, produire de l'énergie électrique lorsqu'il est exposé à la lumière, et cette technologie a permis à une industrie à croissance rapide. Les conceptions les plus courantes utilisent des couches rigides de cristal de silicium. Mais récemment, un intérêt intense s'est concentré sur les dispositifs photovoltaïques organiques (OP) qui utilisent des matériaux semi-conducteurs organiques peu coûteux pris en sandwich entre deux électrodes métalliques. Les appareils OP peuvent être rendus flexibles et facilement portables. Imaginez une tente qui, une fois installé, agit comme un grand système solaire qui peut être utilisé pour recharger des appareils électroniques portables et des lumières pour la nuit de camping à venir.

Cependant, à l'heure actuelle, les dispositifs photovoltaïques organiques sont entravés par un faible rendement par rapport aux cellules solaires commerciales - en partie parce que la quantification de leurs propriétés électriques s'est avérée difficile. Par conséquent, des modèles prédictifs et des mesures quantitatives des performances des appareils sont indispensables.

Des scientifiques du laboratoire de mesures physiques du NIST, dirigé par David Gundlach et Curt Richter de la division Semi-conducteurs et métrologie dimensionnelle, avec James Basham, un chercheur invité de la Penn State University, ont développé une méthode qui permet de prédire la courbe densité-tension de courant d'un dispositif photovoltaïque. ¹ Cette nouvelle méthode utilise une technique de mesure commune (spectroscopie d'impédance) qui est abordable, largement disponible pour les fabricants, et relativement facile à réaliser. La technique est reproductible, non destructif, raisonnablement rapide (≈15 min pour tester un appareil), et, grâce à une analyse et une méthodologie rigoureuses créées par Basham, fournit une lecture complète des propriétés courant-tension de l'appareil qui était auparavant illusoire pour la plupart des chercheurs travaillant dans le domaine. Finalement, cette technique permet de tester l'appareil en conditions réelles.

« Cette avancée de mesure devrait nous permettre d'optimiser plus rapidement les cellules solaires, » déclare Richter. « Nous sommes en mesure d'examiner ce qui se passe électroniquement dans l'ensemble de l'appareil. Surtout, combien de temps la charge existe-t-elle une fois créée et combien de temps faut-il pour amener la charge photogénérée à travers le mélange de semi-conducteurs jusqu'aux électrodes ? Plus la différence entre la durée de vie de la charge et le temps de transit de l'appareil est importante, plus la probabilité qu'un appareil photovoltaïque soit une source d'énergie électrique plus efficace augmente considérablement."

Actuellement au niveau du laboratoire, le test courant-tension des dispositifs photovoltaïques organiques est généralement effectué en analysant le fonctionnement du dispositif à l'une ou l'autre des extrémités du spectre de polarisation du dispositif, c'est-à-dire un court-circuit ou un circuit ouvert et essayer de déduire de ces résultats ce qui se passe électriquement dans l'appareil. Mais, lorsque l'appareil ne fonctionne pas comme un « manuel » ou une cellule solaire « idéale », l'image de ce qui se passe dans l'appareil entre ces extrêmes de polarisation s'obscurcit rapidement.

"Cette approche ne fonctionne que si la recombinaison (où les porteurs de charge sont éliminés plutôt que de continuer à traverser le dispositif) à un biais est nominalement identique à la génération de charge à l'autre, " Gundlach dit. " Dans un bon appareil, ceux-ci devraient être à peu près égaux. Dans un appareil non idéal, ils pourraient être très différents. Avec notre technique, nous pouvons en fait cartographier toute la gamme des caractéristiques d'un extrême à l'autre et démêler la génération, transport, et différents mécanismes de perte sur toute la plage de polarisation."

Le résultat de cette nouvelle technique est la reproduction précise de la courbe densité-tension de courant de l'appareil sur toute la plage de tension entre les extrêmes de polarisation. Cela permet aux chercheurs d'identifier où les problèmes existent dans l'appareil et peut servir de modèle pour ce qu'il faut corriger dans l'appareil.

"Combinant les propriétés physiques, vies, et les concentrations de porteurs avec une image précise à l'échelle nanométrique de la microstructure du film semi-conducteur donne vraiment une image complète du fonctionnement de l'appareil et de ce qui empêche ces appareils d'atteindre leurs limites de performance théoriquement prédites, " explique Gundlach. " Nos collègues du Materials Measurement Laboratory du NIST ont considérablement fait progresser la compréhension de ces derniers sur le terrain. Nous sommes maintenant dans une bien meilleure position pour rassembler toutes les informations, et ensuite nous pouvons développer des modèles d'appareils plus précis physiquement, des directives de conception de matériaux mieux informées, et, en fin de compte, relier plus étroitement les propriétés des matériaux aux méthodes de traitement et aux performances des cellules solaires. »

Et puisque le processus physique régissant le photovoltaïque organique est très similaire à d'autres semi-conducteurs organiques (diodes électroluminescentes organiques, par exemple, qui sont répandus dans les affichages électroniques), les applications futures de cette technique à d'autres industries semblent simples.

"Une grande partie de la compréhension développée ici peut également être appliquée pour fabriquer de meilleures diodes électroluminescentes organiques, " explique Richter. Les échantillons photovoltaïques organiques utilisés dans cette étude ont été développés en interne au NIST. Le dispositif de 100 nm d'épaisseur a une structure à trois couches - une électrode supérieure semi-transparente, le photovoltaïque organique, et une électrode inférieure placée sur un morceau de verre de 1 pouce.

Pour les mesures de spectroscopie d'impédance, l'échantillon a été installé sous une lumière blanche à large bande LED, calibré à un éclairage du soleil (lumière du soleil naturelle).

La mesure elle-même est conceptuellement simple :"Nous appliquons une tension oscillante à travers l'appareil et mesurons le courant qui sort, " explique Richter. " Nous le faisons sous la lumière du soleil simulée. Mathématiquement, nous examinons le déphasage du courant sortant par rapport à la tension entrante."

Ces résultats, combiné avec l'analyse et la méthodologie de Basham, fournissent une mesure relativement peu coûteuse qui a une valeur énorme pour comprendre les mécanismes de perte dominants sur toute la plage de polarisation d'un appareil.

"Maintenant, une petite entreprise en démarrage peut acheter un spectromètre d'impédance et faire cette mesure avec notre papier en main car il leur dit comment, " déclare Gundlach.

"Nous pouvons également faire ces mêmes mesures en l'absence de la source lumineuse le long de la même plage de tension, " Gundlach continue, "et vous n'obtenez pas exactement la même réponse. Il y a des parties de la communauté qui ont fait valoir que vous pouvez faire ces mesures sombres et obtenir la même réponse."

Plus récemment, Gundlach et Basham, en collaboration avec le laboratoire de mesure des matériaux du NIST, utilisé cette technique en combinaison avec une technique de mesure distincte appelée Large Perturbation Transient Photovoltage (LPTP). ² En LPTP, l'échantillon photovoltaïque organique est éclairé par une impulsion laser, ce qui se traduit par une haute tension temporaire qui décroît sur un temps allant de la nanoseconde à la seconde. La tension est mesurée, et une courbe de données est produite en fonction du temps qu'il faut pour que la tension redescende à son état sombre. Ces données résultantes fournissent des informations supplémentaires sur les effets de recombinaison dans le dispositif que la spectroscopie d'impédance est incapable de fournir.

Les comparaisons de la durée de vie de la charge photogénérée en fonction de la densité de charge sur une large gamme de densité de charge produite par les deux méthodes étaient les mêmes, confirmant que les deux techniques pouvaient mesurer avec sensibilité et précision les processus de génération et de recombinaison de manière cohérente.

« C'est une validation importante de ces techniques de mesure et méthodes d'analyse qui n'a pas été explicitement démontrée auparavant pour ces appareils ; seulement supposé, " déclare Gundlach.