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Version du 19 août 2016 à 09:10
Head: Daniel MATHIOT, Contact |
In organic photovoltaic cells the active layer is made of a blend of materials donor and acceptor of electrons and sandwiched between the anode and the cathode. Different devices may be distinguished depending on whether the cell is illuminated from the anode or from the cathode:
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Dans les cellules photovoltaïques organiques la couche active, composée d'un mélange de matériaux donneur et accepteur d'électrons, est prise en sandwich entre l'anode et la cathode. On peut distinguer différentes structures selon que la cellule est éclairée par l'anode ou par la cathode :
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Evaporation masks used for the different characterisations carried out in the laboratory allow to realise cells with four diodes of 12 mm2 or two diodes of 24 mm2 on each glass substrate. For particular needs, other device architectures and other electrodes sizes can be considered (requests can simply be sent by e-mail).
The characterisation of organic photovoltaic cells is performed in the dedicated zone of one of the glove boxes systems by means of the methods described below.
Pour les différentes caractérisations effectuées au laboratoire, les masques utilisés lors de la phase d'évaporation permettent d'obtenir des cellules avec quatre diodes de 12 mm2 ou deux diodes de 24 mm2 par substrat de verre. Si des besoins particuliers se présentent, d’autres architectures de dispositifs et d’autres tailles d’électrodes peuvent être envisagées (les demandes peuvent simplement être adressées par courriel).
La caractérisation des cellules photovoltaïques organiques est réalisée dans la zone dédiée de l'un des systèmes de boîtes à gants au moyen des méthodes décrites ci-dessous.
Mesure des caractéristiques électriques sous simulateur solaire
The electrical characteristics of organic photovoltaic cells are evaluated from the measurement of the variation of the current according to the applied voltage, at first in a mode called "in the dark", which means that the cell is not illuminated, then in the mode "under illumination", that is while the cell is illuminated by a solar simulator (Fig. 1).
A software developed in house (Fig. 2) extracts, from the characteristics I(V) measured in both modes (Fig. 3), the various photovoltaic parameters of the cells: the open circuit voltage Voc, the short circuit current density Jsc, the fill factor FF and the power conversion efficiency PCE.
The solar simulator is a class AAA AM1.5G simulator that delivers 100 mW/cm2. This intensity can be reduced, until 0.9 mW/cm2, by interposing neutral filters between the light source and the cell.
The apparatus for the measurement of the electrical characteristics is an arm with 4 tips that allows to measure simultaneously the characteristics of 4 diodes of the cell. All the measurements are automated and the calibration of the equipment is regularly verified by means of a reference silicon solar cell.
Measurement of the electrical characteristics under solar simulator
Les caractéristiques électriques des cellules photovoltaïques organiques sont évaluées à partir de la mesure de la variation du courant en fonction de la tension appliquée, d'abord dans un mode appelé "sous obscurité" qui signifie simplement que la cellule n'est pas éclairée, puis dans le mode "sous illumination", c'est-à-dire alors que la cellule est éclairée par un simulateur solaire (Fig. 1).
Un logiciel développé en interne (Fig. 2) extrait, à partir des caractéristiques I(V) mesurées dans les deux modes (Fig. 3), les différents paramètres photovoltaïques des cellules : la tension de circuit ouvert Voc (oc pour "open circuit"), le courant de court circuit Jsc (sc pour "short circuit"), le facteur de forme FF et le rendement de conversion (PCE pour "Power Conversion Efficiency") de la cellule.
Le simulateur solaire utilisé est un simulateur de classe AAA AM1.5G qui délivre 100 mW/cm2. Cette intensité peut être réduite, jusqu'à 0,9 mW/cm2, en interposant des filtres neutres entre la source lumineuse et la cellule.
Le dispositif de mesure des caractéristiques électriques est un bras à 4 pointes qui permet de mesurer simultanément les caractéristiques de 4 diodes de la cellule. Toutes les mesures sont automatisées et la calibration de l'équipement est régulièrement vérifiée à l'aide d'une cellule de référence à base de silicium.
External quantum efficiency measurement
The spectral response of organic photovoltaic cells is obtained from the measurement, as a function of the wavelength, of the intensity of the incident light, the intensity of the reflected light, and the photogenerated current.
In the measurement bench of the spectral response (Fig. 4) installed in the glove box, the incident white light is first separated by a monochromator whose resolution is 5 nm for wavelengths between 350 and 1300 nm. Incident and reflected light intensities, as well as the photogenerated current, are then simultaneously registered at each wavelength. At last, these data are used to calculate the External Quantum Efficiency (EQE, Fig. 5) and to estimate the Internal Quantum Efficiency (IQE).
Mesure de la réponse spectrale
La réponse spectrale des cellules photovoltaïques organiques est obtenue à partir de la mesure, en fonction de la longueur d'onde, de l’intensité lumineuse incidente, de l’intensité lumineuse réfléchie et du courant photogénéré.
Dans le banc de mesure de la réponse spectrale (Fig. 4) installé dans la boîte à gants, la lumière blanche incidente est d'abord décomposée par un monochromateur qui a une résolution de 5 nm pour des longueurs d’onde comprises entre 350 et 1300 nm. Les intensités lumineuses incidente et réfléchie, ainsi que le courant photogénéré, sont ensuite mesurés simultanément à chaque longueur d'onde. Ces données servent finalement à calculer l'efficacité quantique externe (EQE pour "External Quantum Efficiency", Fig. 5) et à estimer l’efficacité quantique interne (IQE pour "Internal Quantum Efficiency").
Fig. 4: Measurement bench of the spectral response |
Fig. 5: EQE spectrum of an organic photovoltaic cell whose active layer is a P3HT:PCBM blend |
Fig. 4 : Banc de mesure de la réponse spectrale |
Fig. 5 : Réponse spectrale mesurée sur une cellule photovoltaïque organique dont la couche active est un mélange P3HT:PCBM |
Transient measurements
A dedicated measurement bench provides transient characteristics: the Transient PhotoVoltage (TPV) and the Charge Extraction (CE).
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Mesures transitoires
Un banc de mesure dédié donne accès aux caractéristiques transitoires que sont la phototension transitoire (TPV pour "Transient PhotoVoltage") et l'extraction de charges (CE pour "Charge Extraction").
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For the measurement of the TPV, the cell is first illuminated with the white ligth, used in continuous mode, and its intensity sets the open circuit voltage Voc. It is then illuminated with the green ligth to increase Voc from ΔV (Fig. 6). The return to equilibrium that follows the end of the green pulse is characterised by a time τΔn that reflects the recombination of charge carriers. In practice, this measurement is repeated for different values of the white light intensity so as to obtain the variation of τΔn according to Voc (Fig. 7).
Pour la mesure de la TPV, la cellule est d'abord éclairée avec la lumière blanche, utilisée en mode continu, dont l'intensité fixe la tension de circuit ouvert Voc. Elle est ensuite éclairée avec la lumière verte pour augmenter Voc de ΔV (Fig. 6). Le retour à l'équilibre qui s'effectue à la fin de l'impulsion verte est caractérisé par un temps τΔn qui reflète la recombinaison des porteurs de charges. En pratique, on répète cette mesure pour différentes valeurs de l'intensité de la lumière blanche afin d'obtenir la variation de τΔn en fonction de Voc (Fig. 7).
For the measurement of the CE, the cell is illuminated with the white ligth, used at the same intensity as for the TPV but in the pulsed mode. At the end of the pulse the resistance at the connections of the oscilloscope varies from 5 MΩ to 50 Ω (Fig. 8). The charge carriers concentration n depends on the open circuit voltage Voc so that, by repeating this measurement for various values of the ligth intensity, it is possible to obtain the variation of the charge carriers concentration n according to Voc (Fig. 9). The combination of TPV and CE measurements allows to obtain the variation of the characteristic time τΔn of charge carriers recombination according to their concentration n (Fig. 10). |
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Pour la mesure de la CE, la cellule est éclairée avec la lumière blanche, utilisée à la même intensité que durant la TPV mais en mode pulsé. À la fin de l’impulsion la résistance aux bornes de l’oscilloscope passe de 5 MΩ à 50 Ω (Fig. 8). La concentration n de porteurs de charge est liée à la tension de circuit ouvert Voc et en répétant cette mesure pour différentes valeurs de l'intensité lumineuse, il est possible d'obtenir la variation de la concentration n de porteurs en fonction de Voc (Fig. 9). La combinaison des mesures de TPV et CE permet d'obtenir la variation de temps caractéristique τΔn de recombinaison des porteurs de charges en fonction de leur concentration n (Fig. 10). |
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