Cellule polymère photovoltaïque - Définition et Explications

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Introduction

Les cellules polymères photovoltaïques désignent une technique de cellules solaires organiques produisant de l'électricité à partir de la lumière à l'aide de polymères semiconducteurs. Il s'agit d'une technique relativement récente étudiée en laboratoire par des groupes industriels et des universités à travers le monde (Le mot monde peut désigner :).

Fullerène (Un fullerène est une molécule composée de carbone pouvant prendre une forme...) C60.
Deux maillons de PEDOT.
Poly(styrène sulfonate).

Encore largement au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) expérimental, les cellules polymères photovoltaïques offrent néanmoins d'intéressantes perspectives. Elles reposent sur des macromolécules organiques dérivées de la pétrochimie (La pétrochimie est la science qui s'intéresse à l'utilisation des composés...), dont les procédés de fabrication sont bien moins consommateurs d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) que ceux mis en œuvre pour les cellules à base de semiconducteurs minéraux. Leur coût de revient est bien plus faible et elles sont plus légères et moins fragiles. Leur nature flexible les rend même aptes à s'intégrer à des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) souples en polymères organiques ou en silicones, voire à des fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) textiles. Leur développement peut tirer parti des progrès du génie chimique, par exemple dans l'auto-assemblage de ces molécules. Leur principale faiblesse réside dans leur durée de vie (La vie est le nom donné :) encore limitée induite par la dégradation des polymères lorsqu’ils sont exposés au soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...).

Principe de fonctionnement

La physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) sous-jacente à l'effet photovoltaïque dans les semiconducteurs organiques est plus complexe à décrire que celle des cellules à semiconducteurs minéraux. Elle fait intervenir les différentes orbitales moléculaires, certaines jouant le rôle de bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons...), d'autres de bande de conduction, entre deux espèces moléculaires distinctes, l'une servant de donneur d'électrons et l'autre d'accepteur, organisées autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d'une hétérojonction comme dans le cas des semiconducteurs minéraux :

  1. Les molécules servant de donneurs d'électrons (par génération d'excitons, c'est-à-dire de paires électron-trou) sont caractérisées par la présence d'électrons π, généralement dans un polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...) conjugué (En mathématiques, le conjugué d'un nombre complexe z est le nombre complexe formé de...) dit « de type p ».
  2. Ces électrons peuvent être excités par des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) visibles ou proches du spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre...), les faisant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) de l'orbitale moléculaire haute occupée (jouant ici un rôle similaire à celui de la bande de valence dans un semiconducteur inorganique) à l'orbitale moléculaire basse vacante (jouant un rôle similaire à celui de la bande de conduction) : c'est ce qu'on appelle la transition π-π* (qui correspond, en poursuivant l'analogie avec les semiconducteurs minéraux, à l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) des porteurs dans la bande de conduction à travers la bande interdite). L'énergie requise pour cette transition détermine la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) maximale qui peut être convertie en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) par le polymère conjugué.
  3. Contrairement à ce qui se passe dans un semiconducteur inorganique, les paires électron-trou, dans un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...), demeurent étroitement localisées, avec un couplage fort (et une énergie de liaison comprise entre 0,1 et 1,6 eV) ; la dissociation des excitons est réalisée à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) avec un matériau accepteur d'électrons sous l'effet d'un gradient de potentiel chimique à l'origine de la force électromotrice du dispositif. Ces accepteurs d'électrons sont dits « de type n ».

Enduction

Les cellules polymères photovoltaïques peuvent être déposées sur des surfaces flexibles comme des encres à l’aide de procédés peu onéreux et pourraient donc permettre de réaliser des cellules photovoltaïques bon marché. Elles n’offrent néanmoins pour l’instant que des rendements ne dépassant pas 5 % en laboratoire et doivent donc être sensiblement améliorées avant de pouvoir jouer un rôle important dans la production d’énergie photovoltaïque.

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