Structure d’un dispositif photovoltaïque organique : modification des couches, couches actives et épaisseur.

Avant de commencer cette section, assurez-vous d’avoir terminé Partie A et Partie B.

1. Modification de la structure du dispositif OPV.

Les cellules solaires organiques sont des dispositifs multicouches, et la structure du dispositif OPV influence considérablement l’absorption optique, l’extraction des charges et les performances simulées. Chez OghmaNano, l’éditeur de couches est utilisé pour définir l’empilement des cellules solaires, notamment l’épaisseur des couches, le matériau optique et si chaque couche est traitée comme une couche active, de contact ou autre. Cet éditeur peut être ouvert à partir de la fenêtre de simulation principale, dans l’onglet « Structure du dispositif », comme indiqué dans ??. L’éditeur de couches lui-même est présenté dans ??.

La fenêtre de l’éditeur de couches affiche un tableau décrivant la structure du dispositif. Chaque ligne correspond à une couche, et les colonnes indiquent les propriétés telles que le nom, le matériau optique, le type et l’épaisseur, qui détermine l’épaisseur physique de la couche. Dans cet exemple, la couche P3HT:PCBM est la couche active, c’est-à-dire la partie du dispositif qui absorbe les photons et génère des porteurs de charge (électrons et trous).

2. Épaisseur de la couche active et performances des cellules photovoltaïques organiques.

On considère qu’une épaisseur de couche active d’environ 50 nm est faible pour une cellule photovoltaïque organique (OPV), tandis que 400 nm est relativement épaisse. Une couche plus épaisse absorbe davantage de lumière, mais elle augmente également la distance que les charges photo-générées doivent parcourir pour atteindre les contacts. À mesure que cette distance augmente, la probabilité qu’un électron photo-généré rencontre un trou photo-généré (recombinaison) augmente également. Cela réduit la proportion de porteurs qui peuvent être extraits avec succès. Par conséquent, les performances de l’appareil ne s’améliorent pas indéfiniment avec l’augmentation de l’absorption. Il existe donc toujours un compromis entre l’absorption de toute la lumière en rendant l’appareil épais et le fait de ne pas rendre l’appareil trop épais afin que les porteurs aient une bonne chance de s’échapper. Ce compromis est un principe central dans la conception des OPV.

3. Champs de l’éditeur de calques

L’éditeur de calques comporte les colonnes suivantes :

• Nom de la couche : un nom en texte brut pour la couche. Vous pouvez donner à une couche le nom que vous souhaitez (par exemple, ITO, PEDOT, Fred ou Bob) ; le nom lui-même n’a aucune signification physique.
• Épaisseur : épaisseur de la couche, exprimée en mètres.
• Matériau optique : indique l’ensemble de données n/k utilisé pour décrire les propriétés optiques du matériau. Ces valeurs proviennent de données expérimentales stockées dans la base de données optique (??) et sont indépendantes des propriétés électriques, telles que la largeur de bande interdite.
• Type de couche : définit la manière dont le simulateur traite la couche :
  • actif : couche électriquement active dans laquelle le solveur de dérive-diffusion résout les équations électriques (??). Vous pouvez avoir plusieurs couches actives, mais elles doivent être contiguës.
  • contact : couche définie comme une électrode à laquelle une tension est appliquée. Voir ?? pour plus de détails.
  • autres : toute couche qui n’est ni une couche de contact ni une couche active. Ces couches sont traitées comme des couches passives.

4. Quelles couches de la cellule photovoltaïque organique doivent être actives ?

Une erreur fréquente lorsqu’on définit la structure d’un dispositif consiste à supposer que toutes les couches doivent être considérées comme actives, simplement parce que chaque couche conduit le courant. En réalité, la plupart des couches de transport ou de contact ne conduisent qu’un seul type de porteur de charge (soit des électrons, soit des trous) et se comportent en réalité comme des résistances. Par exemple, dans une cellule solaire standard P3HT:PCBM, la couche PEDOT:PSS ne conduit que les trous, tandis que la couche de contact Ca/Al ne conduit que les électrons. La résolution des équations complètes de dérive-diffusion (pour les deux types de porteurs de charge) dans de telles couches n’a pas de sens sur le plan physique.

Par conséquent, les couches actives devraient être limitées aux régions où les deux types de porteurs de charge sont présents et où se produisent la photogénération, la recombinaison ou le piégeage. Dans les cellules photovoltaïques organiques, cela signifie la jonction hétérojonction massive (BHJ) ; dans les cellules solaires à pérovskite, la couche absorbante de pérovskite. Ce sont les couches dans lesquelles il faut résoudre l’ensemble des phénomènes physiques qui régissent le fonctionnement du dispositif.

Il existe des exceptions. Par exemple, si vous souhaitez étudier l’impact de contacts de mauvaise qualité ou bloquants (ce qui entraîne des effets tels que des courbes courant-tension en forme de S), ou si plusieurs couches hébergent réellement les deux types de porteurs de charge (par exemple, dans les OLED), vous pouvez désigner des couches supplémentaires comme étant actives. Toutefois, en règle générale, limitez le nombre de couches actives au minimum. Cela permet de simplifier les simulations, de les rendre plus efficaces et de faciliter l’interprétation des principes physiques sous-jacents.