Etudes de cristaux liquides colonnaires en solution organique et en ...

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1.3. LES CRISTAUX LIQUIDES COMME SEMI-CONDUCTEURS DANS LESCELLULES PHOTOVOLTAÏQUESajoutant des substituants imides au cœur aromatique ce qui a pour effet d’appauvrir ce dernieren densité d’électrons. Ainsi une cellule solaire peut être entièrement réalisée à partir decristaux liquides colonnaires.L’absorption optique est dépendante des matériaux puisqu’elle est reliée au“gap”séparantla HOMO et la LUMO. Plus précisément, c’est le cœur aromatique qui détermine la couleurdu matériau. Par exemple, un cristal liquide colonnaire à base de triphénylène est incolore,un autre à base de pérylène sera rouge et un phtalocyanine comme le CuPc est vert.1.3.4 La fabrication d’une cellule à matériaux colonnairesLa structure d’une cellule bicouche est représentée sur la figure 1.15. Les électrodes sontchoisies de telle sorte que l’on obtienne des contacts ohmiques avec les films organiques. Demanière générale, l’oxyde d’indium et d’étain (ITO), semi-transparent, est utilisé pour réaliserl’anode tandis que les métaux comme l’aluminium ou l’argent constituent la cathode. Surl’ITO, les matériaux organiques sont déposés : dans un premier temps, les organiques de typep, conducteurs de trous, puis les organiques de type n, conducteurs d’électrons. L’épaisseurde chaque couche organique est un compromis entre plusieurs paramètres intervenant dansla cellule photovoltaïque. En effet, pour la longueur de diffusion des excitons et la mobilitédes charges, il est nécessaire que l’épaisseur des couches soit faible. En revanche, du point devue de l’absorption du spectre solaire, une cellule solaire est d’autant plus efficace que sonfilm est épais. Typiquement, chaque couche organique n’excède pas 50 nm.Pour déposer les films organiques, il existe plusieurs techniques comme le trempage, lalame de bistouri, le jet d’encre, le spin coating ou l’évaporation. Sans rentrer dans le détailde toutes ces techniques, nous allons expliquer les deux dernières méthodes.– Le spin coating consiste à utiliser la force centrifuge exercée sur un substrat mis enrotation à vitesse et accélération contrôlées. Cette technique permet de créer des filmshomogènes. Nous y reviendrons plus en détails dans le paragraphe 2.2.– L’évaporation sous vide consiste à chauffer le matériau placé dans un creuset en verrePyrex. Le substrat est déposé à quelques centimètres au dessus de ce creuset et lematériau se condense à son contact. Une balance en quartz située au niveau du substratpermet de mesurer en temps réel la vitesse d’évaporation ainsi que l’épaisseur du film.30
CHAPITRE 1. CELLULES SOLAIRES ET MATÉRIAUX ORGANIQUESFig. 1.15 – Configuration de la structure d’une cellule photovoltaïque bicoucheSi les films minces organiques peuvent être déposés suivant l’une ou l’autre de ces deuxtechniques, le dépôt de la cathode ne peut s’effectuer que par évaporation sous vide. Leprocédé est le même que décrit ci-dessus, à la différence que les creusets utilisés sont entungstène.Lors de sa réalisation, la conformation de la cellule solaire doit être optimisée afin d’enaugmenter l’efficacité et le rendement. Ainsi, il faut organiser les matériaux discotiquesde telle sorte que les colonnes soient disposées de manière perpendiculaire au substrat(ancrage homéotrope).Par ailleurs, lorsque les deux films organiques sont déposés par spin coating, il faut s’assurerque le solvant utilisé pour le dépôt de la seconde couche, n’altère pas la première. Pouréviter ce problème, Schmidt-Mende et al ont réalisé une cellule solaire à partir d’une solutioncontenant à la fois un cristal liquide colonnaire à température ambiante (HBC-PhC12, figure1.12) et un dérivé non mésomorphe du pérylène [65] . D’après les auteurs, la différence desolubilité de ces deux matériaux ainsi que le dépôt par spin coating, procurent un ancragehoméotrope aux molécules discotiques couvertes de cristallites du dérivé de pérylène. Il s’agitdonc de la configuration idéale pour réaliser une cellule solaire organique. Le rendement depuissance est d’environ 2 % à 490 nm.Toutefois, un traitement thermique comme le recuit est le moyen le plus efficace pourorienter les couches organiques. Cependant, la principale difficulté du recuit réside dans le31
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