Characterisation zone

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: devices using the standard architecture (see the pattern opposite) are illuminated from the anode; the succession of layers from the glass substrate is: anode (transparent conducting layer, generally a bilayer made of ITO and PEDOT:PSS), active layer and cathode (metallic layer, generally a bilayer made of calcium and aluminium); devices using the inverted architecture are illuminated from the cathode; the succession of layers from the glass substrate is: cathode (transparent conducting layer, generally a bilayer made of ITO and PEIE), active layer and anode (metallic layer, generally a bilayer made of molybdene oxide MoO3 and silver).

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 : les cellules à structure directe (voir schéma ci-contre) sont éclairées par l'anode ; la succession des couches à partir du substrat de verre est : anode (couche conductrice transparente, généralement une bi-couche composée d'ITO et de PEDOT:PSS), couche active et cathode (couche métallique, généralement une bi-couche composée de calcium et d'aluminium) ; les cellules à structure inverse sont éclairées par la cathode ; la succession des couches à partir du substrat de verre est : cathode (couche conductrice transparente, généralement une bi-couche composée d'ITO et de PEIE), couche active et anode (couche métallique, généralement une bi-couche composée d'oxyde de molybdène MoO3 et d'argent).

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, 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 V_oc, the short circuit current density J_sc, 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.

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 V_oc (oc pour "open circuit"), le courant de court circuit J_sc (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.

Fig. 1: Measurement of the I(V) characteristics under illumination	Fig. 2: Monitoring software for the measurement of the I(V) characteristics	Fig. 3: I(V) characteristics measured in the dark (blue curve) and under illumination (red curve) for a 12 mm2 photovoltaic cell whose donor material of the active layer is a fluorinated polymer. Photovoltaic parameters: Voc = 752 mV; Jsc = 15.1 mA/cm2; FF = 67.5%; PCE = 7.6%

Fig. 1 : Mesure de la caractéristique I(V) sous illumination	Fig. 2 : Logiciel de pilotage pour la mesure des caractéristiques I(V)	Fig. 3 : Caractéristiques I(V) mesurées sous obscurité (courbe bleue) et sous illumination (courbe rouge) sur une cellule photovoltaïque de 12 mm2 dont le matériau donneur de la couche active est un polymère fluoré. Paramètres photovoltaïques : Voc = 752 mV ; Jsc = 15,1 mA/cm2 ; FF = 67,5% ; PCE = 7,6%

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 : 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

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"). Pour ces mesures, deux diodes électroluminescentes sont utilisées pour éclairer les cellules photovoltaïques organiques : l'une délivre une lumière blanche dont le spectre d’émission, qui correspond au rayonnement d'un corps noir à 5900 K, est proche du spectre solaire l'autre délivre une lumière verte pulsée à 535 nm

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 V_oc. Elle est ensuite éclairée avec la lumière verte pour augmenter V_oc de ΔV (Fig. 6). Le retour à l'équilibre qui s'effectue à la fin de l'impulsion verte est caractérisé par un temps τ_Δn 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 τ_Δn en fonction de V_oc (Fig. 7).

Fig. 6 : Principe de la TPV qui permet la détermination du temps caractéristique de la recombinaison en fonction de Voc	Fig. 7 : Variation de τΔn en fonction de Voc pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT-PCBM

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).

Fig. 8 : Principe de la CE qui permet la détermination de n en fonction de Voc

Fig. 9 : Variation de la concentration n de porteurs de charge en fonction de Voc pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT-PCBM	Fig. 10 : Variation de τΔn en fonction de la concentration n de porteurs de charge pour une cellule dont la couche active est un mélange P3HT-PCBM