Brevet FR2782575A1 — publié le 20000225

Pile solaire ayant des agrégats dans la partie active. L'invention concerne une pile solaire comprenant une partie active dans laquelle des porteurs de charge sont produits par des photons incidents, des moyens pour faire sortir les porteurs de charge de la partie active et des agrégats qui se trouvent dans la partie active. Dans une pile solaire on produit un courant électrique par absorption du rayonnement électromagnétique. Le courant produit est dénommé courant photoélectrique. Par la demande de brevet en République fédérale d'Allemagne o publiée sous le N 196 40 065, on connaît une pile solaire de ce genre, dans laquelle des photons sont transformés dans une matière colorante en un courant électrique. Les photons incidents produisent dans la zone active (partie active) d'une pile solaire une séparation de charge. En raison de la séparation de charge, il se crée un couple de porteurs de charge. Si l'on fait sortir de la zone active un porteur de charge du couple de porteurs de charge, donc par exemple un électron, il passe un courant électrique. La sortie séparée de porteurs de charge d'un couple de porteurs de charge est obtenue en prévoyant un champ électrique approprié. Le champ électrique approprié règne dans des piles solaires, par exemple en raison d'un contact p-n qui a été établi et qui a une zone d'appauvrissement entre le conducteurn et le conducteur p. La zone d'appauvrissement forme alors la zone active. Le rendement d'absorption de photons incidents et de transformation en couple de porteurs de charge dépend de la longueur d'onde des photons. Le rendement a en fonction de la longueur d'onde des minimums locaux, des maximums locaux ou des pentes. 2 2782575 Par le document (M. Quinten, O. Stenzel, A. Stendal, C. Borczyskowski, J. Opt. 28 (1997) 249-251), il est connu d'introduire des agrégats dans des régions en dehors de la zone active et d'augmenter ainsi le rendement. Cette augmentation n'a lieu cependant qu'à des longueurs d'ondes dans lesquelles, de toutes façons, on a déjà un bon rendement. L'invention vise une pile solaire ayant un bon rendement. On y parvient suivant l'invention dans une pile du type défini ci- dessus par le fait que les agrégats présentent un pic d'absorption. La pile solaire suivant l'invention a une partie active dans laquelle des porteurs de charge sont produits par des photons incidents. Un couple de porteurs de charge est constitué d'un porteur de charge positif et d'un porteur de charge négatif. Il est prévu des moyens pour que les porteurs de charge sortent de la partie active de manière à ce qu'il passe un courant électrique. Des porteurs de charge négatifs comme des électrons sortent ensuite séparés de porteurs de charge positifs de la partie active et/ou inversement. Dans la partie active se trouvent des agrégats. Des exemples de moyens qui font sortir les porteurs de charge de la partie active pour produire un courant électrique sont des champs électriques appliqués de manière convenable. Des champs électriques appliqués de manière convenable dans une pile solaire peuvent être obtenus par exemple par un contact p-n ayant une zone d'appauvrissement entre le conducteur n et le conducteur p ou par un contact de Schottky ou par des dispositions moléculaires ayant des états d'énergie et/ou des niveaux de Fermi appropriés. Les moyens pour faire sortir les porteurs de charge de la partie active provoquent en combinaison avec la partie active l'obtention d'une tension électrique. Par l'expression agrégats on entend dans le présent mémoire un groupe de trois atomes ou de plusieurs atomes, ou de trois molécules ou de plusieurs molécules dont chacune est reliée chimiquement à au moins deux autres atomes ou molécules de ce groupe. La liaison peut être constituée de liaisons métalliques, ioniques, covalentes ou de van-der- Waal. Les agrégats présentent un pic d'absorption. Il y a un pic d'absorption si l'absorption des photons en fonction des longueurs d'ondes présentent un maximum local. Une couche métallique macroscopiquement de grande dimension n'a pas à la différence des agrégats suivant l'invention de pic local d'absorption. 3 2782575 Les agrégats suivant l'invention sont constitués par exemple de 000 atomes d'or ou de 3 000 molécules d'arséniure de gallium. Des agrégats dans la partie active d'une pile solaire provoquent dans le domaine de longueur d'onde du pic d'absorption une absorption supplémentaire de photons qui, contrairement à une couche métallique macroscopiquement de grande dimension et étendue, provoque une résonance. Il est produit ainsi des couples de porteurs de charge supplémentaires dans la zone active. Le rendement de la pile solaire est ainsi augmenté. Dans un mode de réalisation avantageux de la pile solaire suivant l'invention, elle comprend des agrégats qui sont inférieurs à 100 pm, et notamment inférieurs à 10 pm. Des agrégats de cet ordre de grandeur provoquent un pic d'absorption marqué et donc une résonance meilleure. Il s'ensuit un plus grand rendement de la pile solaire. Avantageusement, la pile solaire comporte des agrégats qui sont constitués d'au moins 100 et notamment d'au moins 1 000 atomes. Un agrégat typique contient par exemple 10 000 atomes. Si le nombre des atomes d'un agrégat est trop petit, le pic d'absorption est très étroit. Cela entraîne, d'une manière peu avantageuse, une absorption dans un très petit domaine de longueur d'onde. C'est pourquoi l'agrégat doit être constitué d'au moins 100, de préférence d'au moins 1 000 atomes pour obtenir un pic d'absorption sur un large domaine de longueur d'onde. La pile solaire suivant l'invention peut contenir dans la partie active des agrégats dont le pic d'absorption se trouve dans le domaine de longueur d'onde dans lequel le rendement de la pile solaire sans agrégat présente un minimum local ou la montée d'un flanc d'absorption. Un exemple d'une pile solaire suivant l'invention est une pile solaire à contact de Schottky ayant des agrégats d'argent dans la partie active qui ont quelques nanomètres. La pile solaire est constituée de verre revêtu d'lTO (indium/oxyde d'étain) avec une couche de phtalocyanine de zinc déposée par dépôt en phase vapeur. Cette couche présente sans les agrégats un minimum local d'absorption et donc un minimum local de courant photoélectrique dans le domaine de 410 à 520 nm. Les agrégats d'argent présentent un pic local d'absorption dans le domaine mentionné ci-dessus. Il 4 2782575 s'ensuit que de la lumière, même dans le domaine des longueurs d'ondes voisins de 470 nm, est transformée avec un bon rendement en un courant photoélectrique. Il s'ensuit un maximum local du courant photoélectrique dans la région autour de 450 nm. Une pile solaire qui renferme du sulfure de cadmium comme semi- conducteur représente un autre exemple de l'invention. Dans ce cas, il y a en l'absence des agrégats suivant l'invention un flanc d'absorption qui diminue de manière abrupte à 520 nm. Des agrégats d'arséniure de gallium qui sont introduits dans la partie active provoquent un courant électrique o supplémentaire à des longueurs d'ondes voisines de 600 nm. Ce domaine de longueur d'onde ne pouvait pas être utilisé jusqu'ici. Le rendement est ainsi augmenté encore davantage. Il est avantageux que la pile solaire présente dans la partie active des agrégats dont le pic d'absorption est dans le domaine de longueur d'onde de la lumière visible. Les agrégats peuvent être en argent ou en or. Dans un exemple, la pile solaire est constituée d'un verre revêtu d'lTO (indium/oxyde d'étain) et d'une couche de phtalocyanine de zinc obtenue par dépôt en phase vapeur. Cette couche a un minimum d'absorption dans le domaine de longueur d'onde de 410 à 520 nm. En prévoyant suivant lI'invention des agrégats d'argent de grande dimension de quelques nanomètres, on transforme des photons, dans le domaine de longueur d'onde visible et donc riche en énergie, d'une manière renforcée autour de 450 nm en un courant photoélectrique. Le rendement est ainsi encore amélioré. Il s'est avéré que l'on peut obtenir dans l'ensemble une amélioration du rendement d'au moins 10 % à 15 %. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple la figure 1 représente le spectre d'absorption photonique en fonction de la longueur d'onde pour une pile solaire ayant des agglomérats d'argent dans la partie active (Ag 5 nm + ZnPc 200 nm) par rapport à une pile solaire classique suivant l'état de la technique (ZnPc 200 nm), la figure 2 représente le spectre de courant photonique en fonction de la longueur d'onde pour une pile solaire classique, la figure 3 représente le spectre de courant photonique en fonction des longueurs d'ondes pour une pile solaire ayant des agrégats d'argent dans la partie active. 2782575 On utilise des piles solaires organiques à contact de Schottky. Chacune est constituée de verre qui est revêtu d'ITO (indium/oxyde d'étain). Ce revêtement a un contact avec une couche de phtalocyanine de zinc de nm d'épaisseur environ et qui a été obtenue par dépôt en phase vapeur. s Dans la partie active se trouvent des agrégats d'argent d'une dimension de nm environ, qui ont été obtenus par dépôt en phase vapeur d'une couche d'argent de 1,3 nm d'épaisseur environ qui a été recuite pendant 10 min à C. La figure 1 représente la variation de l'absorptionc photonique o en fonction de la longueur d'onde X ou de l'énergie E photonique pour une pile solaire suivant l'invention, (courbe supérieure Ag 5 nm + ZnPc 200 nm) par rapport à une pile solaire classique sans agrégat (courbe inférieure ZnPC 200 nm). La pile solaire classique sans agrégat présente un minimum local d'absorption dans le domaine de longueur d'onde de 410 à 520 nm. Dans i5 la pile solaire ayant les agrégats d'argent suivant l'invention, il y a dans ce domaine de longueur d'onde un maximum local d'absorption. L'absorption de lumière est ainsi nettement augmentée par les agrégats. Les valeurs absolues ne sont pas, tout comme dans les autres figures, une mesure de l'augmentation, car elle n'est mesurée que sur des piles solaires différentes qui ne sont comparables que par leur type. Deux piles solaires de même type ont toujours des rendements qui diffèrent l'une de l'autre. C'est pourquoi seule la modification qualitative de la courbe représente une mesure de l'amélioration. Le courant I photoélectrique correspondant de la pile solaire classique sans agrégat en fonction de la longueur d'onde X est représenté à la figure 2. Le courant photoélectrique présente d'une manière analogue un minimum dans le domaine de 420 à 520 nm. La figure 3 représente le courant photoélectrique de la pile solaire ayant les agrégats d'argent suivant l'invention en fonction de la longueur d'onde k. Dans ce cas, il apparaît un maximum local du courant photoélectrique dans le domaine de longueur d'onde autour de 450 nm. On estime que le rendement est augmenté de 15 % par l'insertion d'agrégats d'argent d'une dimension de 5 nm environ dans la partie active. 6 2782575 REVENDICATIONS 1. Pile solaire comprenant - une partie active dans laquelle des porteurs de charge sont produits par des photons incidents, - des moyens pour faire sortir les porteurs de charge de la partie active, - des agrégats, qui se trouvent dans la partie active caractérisée en ce que les agrégats ont un pic d'absorption. 2. Pile solaire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les agrégats sont inférieurs à 100 pm, et sont io notamment inférieurs à 10 pm. 3. Pile solaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les agrégats sont constitués d'au moins atomes. 4. Pile solaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le pic d'absorption des agrégats se trouve dans le domaine de longueur d'onde dans lequel la couche optique de la pile solaire sans agrégat présente un minimum d'absorption ou une augmentation d'une constante d'absorption. 5. Pile solaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le pic d'absorption des agrégats se trouve dans le domaine de longueur d'onde de la lumière visible.