Modélisation et simulation des réponses électriques de cellules solaires organiques

Modeling and simulation of electrical responses of organic solar cells

• Auteur / Autrice : Adam Raba
• Direction : Anne-Sophie Cordan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et technologie des composants
• Date : Soutenance le 17/04/2015
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Kleider
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Heiser, Yann Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Hirsch, Jean-Jacques Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Matériaux -- Propriétés électriques

Markov, Processus de

Éléments finis, Méthode des

Complexes donneur-accepteur d'électrons

Cellules solaires organiques

Photopiles

Mots clés libres

Cellules solaires organiques

Hétérojonction en volume

Modélisation

Simulation

Éléments finis

Extraction de paramètres

Chaînes de Markov

Caractéristiques électriques

Effets en température

Organic solar cells

Bulk heterojunction

Modeling

Simulation

Finite elements

Parameter extraction

Markov chains

Electrical characteristics

Temperature effects

Résumé

Le principal objectif de ce travail est d’étudier les cellules solaires organiques de type hétérojonction en volume à l’aide d’un modèle bidimensionnel spécifique incluant un état intermédiaire pour la dissociation des charges dans les matériaux organiques. Ce modèle est mis en place dans un logiciel de simulation par éléments finis. Après validation, il est comparé à deux approches existant dans la littérature. Le grand nombre de paramètres requis pour décrire le mécanisme complexe de génération de charges nécessite un algorithme robuste, basé sur l’exploitation de chaînes de Markov, pour extraire ces paramètres physiques à partir de données expérimentales. Le modèle ainsi que la procédure d’extraction de paramètres sont utilisés dans un premier temps pour étudier le mécanisme de dissociation associé à une cellule comportant une nouvelle molécule. Ensuite le comportement en température de cellules à base de P3HT : PCBM est simulé et comparé à des mesures expérimentales.

The main objective of this work is to study bulk heterojunction organic solar cells with a specific two dimensional model that takes into account an intermediate state specific to organic materials. The model is solved numerically by a finite element software. After its validation, it is compared to two existing approaches in the literature. The large number of parameters needed to describe the complex charge generation mechanism requires a robust parameter extraction algorithm, based on the operation of Markov chains, in order to extract these physical parameters from experimental characterizations. The model and the parameter extraction method are then used to study the charge dissociation mechanism of a cell with a newly synthesized molecule. Finally, the temperature evolution of P3HT : PCBM solar cells are simulated and compared to experimental measurements.