Comment les cellules solaires polymères fonctionnent
Comment les cellules solaires polymères fonctionnent
Henrik Friis Dam Thue Trofod Larsen-Olsen
Comme toutes les cellules solaires, la cellule solaire polymère convertit la lumière en électricité, par la conversion d'un flux de photons (lumière) dans un flux de particules chargées (un courant). Ce procédé de conversion est rendu possible par la combinaison de plusieurs types de matériaux, tous ayant des caractéristiques électriques et optiques distincts tels que décrits dans le texte présentant la pile de couches de cellule solaire polymère. mais le plus important est l'inclusion des semi-conducteurs.
Figure 1. Le principe de fonctionnement de la cellule solaire. La lumière pénètre dans la cellule à travers l'anode transparente et est absorbée dans la couche d'hétérojonction en masse par génération d'excitons (1). Les excitons diffuses de l'hétérojonction en vrac jusqu'à ce qu'ils atteignent ou se recombinent une interface donneur-accepteur, où ils se séparent en électrons (noir) et les trous (blanc) (2). Les électrons et les trous se déplaceront alors vers l'anode respective et la cathode, à travers la phase de matériau donneur et l'accepteur (3).
L'absorption de la lumière
Les matières responsables de l'absorption de la lumière dans la cellule solaire polymère sont les semi-conducteurs organiques qui forment la couche active. Cette classe de matériaux est caractérisée par une largeur de bande interdite de certains énergie d'intervalle ($ E_ $). Cet écart représente la séparation dynamique entre les électrons de valence et les états électroniques libres les plus proches, pour les semi-conducteurs organiques Ceci est défini comme la différence entre l '(homo) orbitale moléculaire occupée la plus haute et la (LUMO) orbitale moléculaire inoccupée la plus basse, comme illustré sur la figure 2a $ $ E_g = E_ - E_. $$ Un matériau est généralement considéré comme un semi-conducteur quand $ $ E_ est supérieure à l'énergie thermique disponible à des températures réalistes (par exemple autour de la température ambiante), dans lequel des électrons de valence ne peuvent pas être excités aux états de conduction par simple activation thermique, ce qui rend le matériau non conducteur. Dans l'obscurité, ce qui est. Étant donné que l'absorption d'un photon d'énergie supérieure $ $ E_ peut exciter un électron de la HOMO à l'état de LUMO $$ E_ = \ frac> \ geq E_g $$ où $ \ $ lambda_ est la longueur d'onde de la lumière, $ c est $ la vitesse de la lumière et $ h $ est la constante de Planck. Comme le montre la figure 2b, l'absorption du photon par excitation en électron de l'état de HOMO à un état au-dessus du niveau de LUMO, laisse derrière lui un état de valence libre, appelé un « trou », et l'énergie des photons réside maintenant que le potentiel différence d'énergie entre ce excitée paire électron-trou. Cependant, comme il existe un continuum d'états au-dessus du niveau de LUMO, l'électron excité subira rapidement la relaxation thermique, de se retrouver au niveau de LUMO. Cela signifie que toute l'énergie des photons dépassant l'énergie gap sera perdue sous forme de chaleur ($ E_perte> = E_-E_g $), comme cela est illustré à la figure 2c.
Figure 2: (a) un semi-conducteur organique dans l'obscurité, avec un intervalle de bande d'énergie Eg. (B) la lumière incidente d'énergie supérieure à la bande d'énergie excite un électron de l'état de HOMO à l'état LUMO. (C) L'énergie des photons supérieure à l'énergie d'intervalle est « perdu » par relaxation thermique au niveau de LUMO.
Avec cela à l'esprit, on peut faire quelques considérations très importantes sur la conception générale d'une cellule solaire: Afin d'optimiser la conception de cellules solaires, il faut considérer l'équilibre entre le nombre de photons qui sont absorbés par l'énergie qui est perdue ($ E_ $). Pour ce faire, l'un des cours ont également besoin de savoir combien de photons sont disponibles. Ceci est donné par le spectre solaire, représentée sur la figure 3. Des considérations telles que celles-ci déterminent l'énergie d'intervalle de bande optimale ainsi que la limite théorique de rendement de la cellule solaire. Cela a été fait par Shockley et Queisser dans leur travail séminal de 1961 définissant le soi-disant «limite de bilan détaillé. DOI: 10.1063 / 1,1736034
Figure 3. Le spectre solaire incidente sur l'atmosphère, par rapport au spectre au niveau du sol utilisés pour les conditions d'essai normalisées.
séparation de charge
Figure 4. Trois différentes façons de structurer la morphologie d'une masse de cellules solaires à hétérojonction donneur-accepteur. (A) est une structure simple à deux couches, (b) est une morphologie contrôlée idéalisée imaginé, avec nanostructuré « structure comb'-du donneur et de l'accepteur, tandis que (c) est une illustration de l'hétérojonction en vrac, où le donneur-accepteur nanostructurée la séparation des phases est formée par coulée en solution dans un mélange en vrac de donneur et de l'accepteur.
collection charge
Lors de la séparation de l'exciton en un électron et un trou au niveau d'une interface donneur / accepteur, l'électron et le trou se déplace dans les phases accepteur et donneur, respectivement. Pour générer doivent être collectées les charges de courant au niveau des électrodes distinctes, à savoir des trous dans la cathode et les électrons à l'anode, comme on le voit sur la figure 1. Dans la bicouche et « dispositifs structuré comb' (figure 4a et b) Ceci est facilité par la séparation nette des phases donneur et accepteur, de sorte que l'interface donneur / accepteur devient une barrière efficace pour charges de fonctionner à l'électrode de mal. Dans le cas de la BHJ (figure 4c) les orientations de phase sont des chemins aléatoires et percolation du matériau donneur accepteur pur ou peut relier les deux électrodes. En revanche, le flux de courant est contrôlé par l'utilisation d'électrodes ayant une fonction de travail suffisamment différentes. De telle sorte que l'électrode d'anode est choisie comme matériau de fonction de travail élevée et la cathode sélectionnée en tant que métal à faible fonction de travail. Comme on le voit sur la figure 1, les trous se rendront à l'anode de la fonction de travail élevée et les électrons de la cathode à faible fonction de travail. En variante, ou en outre, sont insérées des couches de modification entre la couche BHJ et les électrodes, adaptées pour permettre uniquement un type de porteur de charge spécifique à passer à l'électrode correspondante, comme on le verra plus loin dans la section suivante.