Principes de base et mesures
But de cette note
Cette note d’application fait partie d’une série concernant les cellules solaires à colorant. On y discute de la théorie et de divers types d’expériences nécessaires à la caractérisation des cellules solaires.
La partie 1 de cette série traite des principes de base des cellules solaires à colorant, de leur configuration et des mécanismes électrochimiques sous-jacents.
En outre, la caractérisation des cellules solaires à colorant est démontrée au moyen d’expériences électrochimiques de base.
Introduction
En période de pénurie de combustibles fossiles, d’augmentation des prix du pétrole brut, ainsi que de rejet des sources d’énergie conventionnelles (par exemple, le charbon ou les centrales nucléaires), les formes d’énergie durable deviennent de plus en plus le centre des attentions. L’hydroélectricité, l’énergie éolienne, la géothermie ou le traitement de la biomasse ne sont que quelques-unes de ces ressources durables.
Une autre source importante d’énergie renouvelable est l’énergie solaire. Le photovoltaïque et les capteurs solaires thermiques sont les plus utilisés.
Les cellules solaires à colorant (DSC) qui sont abordées dans cette note d’application sont des cellules à couche mince. Elles sont également appelées cellules solaires à colorant (DSSC) ou cellules Grätzel du nom du chimiste suisse Michael Grätzel qui a été grandement impliqué dans le développement de nouveaux types de cellules.
La fabrication des DSC est simple, le plus souvent à faible coût, et intègre des matériaux respectueux de l’environnement. Elles ont un bon rendement (environ 10-14 %) même sous un faible flux de lumière solaire.
Cependant, un inconvénient majeur est la sensibilité à la température de l’électrolyte liquide. Par conséquent, de nombreuses recherches sont en cours pour améliorer les performances de l’électrolyte et la stabilité de la cellule.
Théorie
Mise en place d’une cellule solaire à colorant
La figure 1 montre un schéma simplifié d’une cellule solaire à colorant.
Figure 1 – Mise en place simplifiée d’une cellule solaire à colorant. Pour plus de détails, voir le texte.
L’anode d’une CSD consiste en une plaque de verre qui est recouverte d’un film d’oxyde conducteur transparent (TCO). L’oxyde d’indium et d’étain (ITO) ou l’oxyde d’étain dopé au fluor sont les plus utilisés. Une fine couche de dioxyde de titane (TiO2) est appliquée sur le film. Le semi-conducteur présente une surface élevée en raison de sa grande porosité.
L’anode est imbibée d’une solution de colorant qui se lie au TiO2. Le colorant – également appelé photosensibilisateur – est le plus souvent un complexe de ruthénium ou divers composés organiques exempts de métal. À des fins de démonstration, il est également possible d’utiliser du jus de fruit ordinaire (comme celui des mûres ou des grenades). Ils contiennent des pigments qui sont également capables de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique.
La cathode d’un DSC est une plaque de verre avec un mince film de Pt qui sert de catalyseur. Une solution d’iodure/triiodure est utilisée comme électrolyte.
Les deux électrodes sont pressées l’une contre l’autre et scellées pour que la cellule ne fuit pas. Une charge externe peut être alimentée lorsque la lumière brille sur l’anode de la cellule solaire à colorant.
Principe d’une cellule solaire à colorant
Comme son nom l’indique, le mécanisme des cellules solaires à colorant est basé sur les processus photoélectrochimiques. La figure 2 représente un diagramme énergétique d’une cellule solaire à colorant. La section suivante décrit tous les processus électrochimiques pertinents.
Figure 2 – Diagramme énergétique d’une cellule solaire à colorant. Surligné en rouge sont toutes les étapes uniques qui sont expliquées dans le texte.
Etape 1 : La molécule de colorant est initialement dans son état fondamental (S). Le matériau semi-conducteur de l’anode est à ce niveau d’énergie (près de la bande de valence) non conducteur.
Lorsque la lumière éclaire la cellule, les molécules de colorant sont excitées de leur état fondamental à un état d’énergie plus élevé (S*), voir l’équation 1.
Eq. 1
La molécule de colorant excitée a maintenant un contenu énergétique plus élevé et surmonte la bande interdite du semi-conducteur.
Etape 2 : La molécule de colorant excitée (S*) est oxydée (voir l’équation 2) et un électron est injecté dans la bande de conduction du semi-conducteur. Les électrons peuvent maintenant se déplacer librement car le semi-conducteur est conducteur à ce niveau d’énergie.
Eq. 2
Les électrons sont ensuite transportés vers le collecteur de courant de l’anode par des processus de diffusion. Une charge électrique peut être alimentée si elle est connectée.
Etape 3 : La molécule de colorant oxydée (S+) est à nouveau régénérée par un don d’électrons à partir de l’iodure dans l’électrolyte (voir l’équation 3).
Eq. 3
ETAPE 4 : En retour, l’iodure est régénéré par réduction du triiodure sur la cathode (voir équation 4).
Eq. 4
Paramètres importants
Une cellule solaire génère du courant lorsque la lumière brille sur elle. Le courant de sortie dépend fortement du potentiel de la cellule ainsi que de l’intensité de la lumière incidente. Les courbes courant-potentiel (également appelées courbes I-V) illustrent cette relation.
Similaire aux expériences standard de voltamétrie cyclique, un potentiel E est appliqué et balayé entre un potentiel initial et un potentiel final. Le courant I de la cellule est mesuré. En outre, une source lumineuse d’intensité constante est focalisée sur la cellule solaire pour générer de l’énergie.
La figure 3 montre une courbe I-V typique d’une cellule solaire pour des intensités lumineuses croissantes et en l’absence de lumière.
Figure 3 – Schéma des courbes I-V avec et sans lumière. Pour plus de détails, voir le texte.
Une cellule solaire à colorant se comporte comme une diode en l’absence de lumière. Aucun courant n’est généré et de l’énergie est nécessaire pour alimenter la cellule.
Les courbes I-V se déplacent davantage vers le bas lorsque la lumière est focalisée sur une CSD. La cellule solaire génère alors un courant qui augmente avec l’intensité de la lumière.
Le flux de courant est presque constant aux potentiels inférieurs. Il atteint son maximum lorsque le potentiel est nul. Le courant généré diminue avec l’augmentation du potentiel. Il est nul au potentiel de circuit ouvert. Au-delà de ce potentiel, une tension de polarisation externe est nécessaire pour alimenter la cellule. La cellule peut être endommagée à des valeurs trop élevées.
Plusieurs paramètres peuvent être dérivés des courbes I-V qui sont discutés dans les sections suivantes. La figure 4 montre un aperçu schématique d’une courbe I-V comprenant des paramètres.
Figure 4 – Courbe I V schématique et courbe de puissance d’une cellule solaire. Plusieurs paramètres importants sont représentés. Pour les détails, voir le texte.
Courant de court-circuit
Le courant de court-circuit ISC est le courant le plus élevé qui peut être tiré d’une cellule solaire. La tension de la cellule est à ce point nulle. Par conséquent, la puissance générée est également nulle.
Eq. 5
Le courant de court-circuit augmente avec l’intensité lumineuse.
Potentiel de circuit ouvert
Le potentiel de circuit ouvert EOC est la tension la plus élevée d’une cellule solaire à une intensité lumineuse donnée. C’est également le potentiel pour lequel le flux de courant à travers une cellule solaire est nul.
Eq. 6
EOC augmente avec l’intensité lumineuse.
Puissance
La puissance générée P d’une cellule solaire peut être calculée par la formule suivante :
Eq. 7
La puissance calculée peut également être tracée en fonction du potentiel appliqué (voir figure 4). La courbe de puissance résultante présente une puissance maximale Pmax.
Facteur de remplissage
Le facteur de remplissage (FF) est un paramètre important pour spécifier les capacités globales d’une cellule. Il décrit la qualité et le caractère idéal d’une cellule solaire.
Le facteur de remplissage est le rapport entre la puissance maximale générée Pmax et la puissance maximale théorique Ptheo d’une cellule solaire. La formule générale du facteur de remplissage est la suivante :
Eq. 8
EMP et IMP sont le potentiel et le courant de la courbe I V où la puissance générée est maximale.
Le facteur de remplissage peut également être représenté par des rectangles dans une courbe I-V. La figure 5 en donne une illustration schématique.
Figure 5 – Illustration graphique du facteur de remplissage. Pour plus de détails, voir le texte.
Dans le cas idéal, une courbe I-V est un rectangle (zone verte). La puissance maximale est à EOC et ISC et le facteur de remplissage est de un.
Cependant, des conditions non idéales causées par des effets parasites diminuent la puissance maximale et la courbe I-V s’arrondit. La véritable zone résultante qui représente le maximum de puissance (rectangle bleu) est plus petite. Elle est couverte par le potentiel EMP et le courant IMP.
Notez que le facteur de remplissage n’est pas égal au rendement d’une cellule solaire.
Résistance en série et en dérivation
Comme mentionné précédemment, les effets parasites causés par les résistances internes entraînent une perte de puissance dans une cellule solaire. Ces résistances peuvent être décrites par une résistance série (RS) et une résistance shunt (RSH).
La figure 6 et la figure 7 montrent comment ces deux résistances affectent la forme d’une courbe I-V.
Figure 6 – Effet de la résistance série RS sur la forme d’une courbe I-V.
La résistance série RS peut être estimée par l’inverse de la pente près du potentiel de circuit ouvert (voir figure 6).
En principe, la résistance série serait nulle. Cependant, les résistances des contacts métalliques ou du substrat massif entraînent une chute de tension supplémentaire à l’intérieur de la cellule. Par conséquent, la pente de la courbe près de l’EOC diminue avec l’augmentation de la RS. Par conséquent, l’aire sous la courbe et la puissance maximale diminuent.
Notez que le potentiel de circuit ouvert EOC n’est pas affecté par RS car le flux de courant est nul. Le courant de court-circuit n’est pas non plus affecté par RS. Seules des valeurs très grandes peuvent conduire à une réduction de ISC.
Figure 7 – Effet de la résistance de shunt RSH sur la forme d’une courbe I V.
RSH peut être estimée par la pente inverse près du courant de court-circuit ISC (voir figure 7). Dans le cas idéal, cette résistance est infinie de sorte qu’il n’existe aucun chemin de courant supplémentaire. Plus RSH est faible, plus la pente de la courbe I V augmente à proximité du courant de court-circuit. Cela conduit également à un plus petit potentiel de circuit ouvert EOC.
La résistance shunt RSH peut être modélisée par une résistance parallèle. Elle est principalement causée par le courant de fuite à travers la cellule causé par des impuretés ou des défauts dans le processus de fabrication.
La puissance maximale, le facteur de remplissage et l’efficacité sont négativement affectés par de petites résistances shunt.
Note:
Les deux calculs de RS et RSH ne doivent être utilisés que comme estimations à proximité du potentiel en circuit ouvert et du courant de court-circuit respectivement.
Efficacité
L’efficacité η est le rapport entre la puissance maximale générée Pmax et la puissance électrique d’entrée Pin de la source lumineuse.
Eq. 9
Pour calculer l’efficacité, il faut connaître la puissance de la lumière incidente Pin.
Note : Pour plus d’informations sur le calcul de la puissance lumineuse, voir la note technique de Gamry : Mesurer la puissance optique de votre LED
Expériences
Les sections suivantes décrivent diverses expériences avec des cellules solaires à colorant. Tous les accessoires DSC proviennent de Solaronix. La cellule solaire utilise des électrodes en titane et en platine. L’électrolyte est une solution d’iodure/triiodure 50 mM dans de l’acétonitrile. Le colorant utilisé est le Ruthénizer 535-bisTBA. La surface active de la cellule est de 0,64 cm2.
La figure 8 montre une série de courbes I-V avec des intensités lumineuses croissantes (du clair au sombre). Le potentiel de la cellule solaire a été balayé entre 0 V et le potentiel de circuit ouvert pendant plusieurs cycles. Le taux de balayage était de 5 mV/s pour assurer un fonctionnement stable de la cellule.
L’intensité lumineuse de la LED rouge (625 nm) a été augmentée par étapes de 5,1 mW à 37,2 mW pour chaque courbe. Seul le dernier cycle avant pour chaque intensité est représenté. La distance entre la LED et la cellule solaire à colorant était de 3 cm.
Figure 8 – Série de courbes I-V avec des intensités lumineuses croissantes (de clair à sombre). Pour plus de détails, voir le texte.
Comme prévu, le courant augmente avec l’intensité lumineuse croissante. En outre, le potentiel de circuit ouvert se déplace vers des valeurs plus élevées. Par conséquent, la puissance générée par la cellule solaire augmente. La figure 9 montre les courbes de puissance correspondantes.
Figure 9 – Séries correspondantes de courbes de puissance avec des intensités lumineuses croissantes (du clair au foncé).
Le maximum de puissance Pmax se déplace légèrement vers des courants plus négatifs et des potentiels plus élevés.
Le tableau suivant énumère plusieurs paramètres qui peuvent être évalués à partir des courbes I V et des courbes de puissance présentées dans la figure 8 et la figure 9.
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Pin |
ISC |
EOC |
Pmax |
Pthéo |
FF |
η |
Tableau 1 – Résumé des paramètres calculés à partir des courbes I V et des courbes de puissance.
Le facteur de remplissage reste presque constant à environ 0,78. Il est plus faible aux faibles intensités lumineuses.
Le rendement est en général très faible à environ 0,6 %. A cet égard, il faut noter qu’une LED rouge avec une gamme de longueur d’onde étroite a été utilisée pour ces expériences. L’efficacité diminue légèrement avec l’augmentation des intensités lumineuses.
En outre, RS et RSH peuvent être estimés à partir des pentes d’une courbe I-V (voir également la figure 6 et la figure 7). Le tableau 2 résume une liste de résistances calculées pour les courbes I-V présentées dans la figure 8.
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Pin |
RS @ EOC |
RSH @ ISC |
Tableau 2 – Liste des résistances série RS et des résistances shunt RSH calculées pour différentes intensités lumineuses.
Les résultats montrent que RS et RSH diminuent avec l’augmentation des intensités lumineuses. Des valeurs RS plus faibles ont tendance à augmenter le facteur de remplissage et l’efficacité d’un DSC. Cependant, des valeurs RSH décroissantes peuvent affecter négativement les performances d’un DSC.
Ces deux tendances peuvent être expliquées par l’augmentation des conductivités causée par des températures plus élevées dans la cellule. La section suivante explique l’effet de la température sur un DSC. Elle aborde également diverses questions dont il faut tenir compte lors de la réalisation d’expériences avec des DSC.
Difficultés lors de la mesure de cellules solaires
Changements de température
Les changements de température affectent les performances d’une cellule solaire à colorant. Les cellules solaires à colorant se réchauffent en effet lorsque la lumière brille sur la cellule. Cela peut affecter le facteur de remplissage ainsi que l’efficacité d’une CSD.
Les cellules solaires à colorant sont très sensibles aux changements de température car elles incorporent des matériaux semi-conducteurs. La bande interdite du semi-conducteur se rétrécit avec l’augmentation de la température (voir aussi la figure 2).
Ceci entraîne d’une part une augmentation des conductivités. En conséquence, le courant de court-circuit augmente. D’autre part, le potentiel de circuit ouvert diminue. La figure 10 illustre cet effet.
Pour cette expérience, la lumière a été focalisée sur un DSC froid et plusieurs courbes I-V consécutives ont été mesurées (du clair au sombre). L’intensité lumineuse a été maintenue constante à 37,2 mW.
Figure 10 – Courbes I V à différents cycles. Les 1er, 5e, 10e, 20e, 30e, 40e, 50e, 60e et 70e cycles sont représentés (du clair au foncé). Pour plus de détails, voir le texte.
Au début, la lumière incidente réchauffe lentement la cellule solaire . Dans cette phase, le courant de court-circuit et le potentiel de circuit ouvert dérivent de manière significative et les pentes des courbes près de ISC et EOC changent.
Les courbes I-V commencent à se chevaucher pas avant après 40 cycles lorsque la température de la cellule s’est stabilisée.
Note : Pour une évaluation correcte des données, il est nécessaire de stabiliser la température de la cellule. L’exécution de plusieurs cycles consécutifs permet de vérifier que la température est constante. Seules les données des courbes I-V qui se chevauchent doivent être utilisées pour les calculs finaux.
Vitesse de balayage
Un autre paramètre pertinent lors de la mesure des courbes I-V est la vitesse de balayage. Des taux de balayage élevés peuvent entraîner une hystérésis significative entre le cycle avant et le cycle arrière (voir la figure 11).
Figure 11 – Effet d’hystérésis entre le cycle avant et le cycle arrière pendant une expérience IV.
L’hystérésis est principalement causée par les effets de polarisation ainsi que par les changements induits par la lumière dans la chimie de la cellule. Les différences entre le cycle avant et le cycle arrière rendent l’évaluation des données plus difficile et peuvent conduire à des résultats erronés. Afin de trouver un taux de balayage approprié, nous vous recommandons d’effectuer plusieurs cycles tout en ajustant le taux de balayage.
Les taux de balayage bas augmentent le temps de mesure mais ils réduisent l’effet d’hystérésis. En outre, les faibles taux de balayage permettent un fonctionnement de la cellule en régime permanent. Si les courbes I-V ne montrent qu’une hystérésis mineure, les données du cycle avant et arrière peuvent être moyennées ensemble.
Résumé
Cette note d’application concerne les mesures avec des cellules solaires à colorant (DSC). Les principes de base et la configuration des DSCs sont discutés. En outre, plusieurs paramètres importants sont expliqués et calculés.
Des expériences avec des DSCs réels sont réalisées en utilisant une LED rouge. Les courbes I-V sont mesurées et converties en courbes de puissance. Les deux courbes sont utilisées pour calculer différents paramètres importants pour caractériser le DSC.
Enfin, des conseils utiles sont fournis pour des mesures et des résultats meilleurs et plus fiables.