WO2005124891A1 - Procede de preparation d'un materiau semi-conducteur photo-actif, materiau ainsi realise et applications - Google Patents

Procede de preparation d'un materiau semi-conducteur photo-actif, materiau ainsi realise et applications Download PDF

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WO2005124891A1
WO2005124891A1 PCT/FR2005/050410 FR2005050410W WO2005124891A1 WO 2005124891 A1 WO2005124891 A1 WO 2005124891A1 FR 2005050410 W FR2005050410 W FR 2005050410W WO 2005124891 A1 WO2005124891 A1 WO 2005124891A1
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semiconductor
semiconductor material
material according
photoactive
preparing
Prior art date
Application number
PCT/FR2005/050410
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English (en)
Inventor
Claude Robert Chevrot
Fabrice Goubard
Hyacinthe Nahivama Randriamahazaka
Original Assignee
Universite De Cergy-Pontoise
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Filing date
Publication date
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of photovoltaic cells comprising a photochemically developed junction made up of materials in the solid state.
  • the transition zone between a metal and a semiconductor or between two semiconductors of different conductivity types will be understood by junction.
  • Photovoltaic cells are devices capable of supplying electric current under light radiation, like that emanating from the sun. These cells are currently used in various electronic devices of current use such as watches, calculators, cameras or the like and of more specific use such as the power supply of isolated system (dwelling, refuge, etc.).
  • the semiconductor material used is always deposited in the form of a thin continuous layer on the surface of a substrate previously coated with a first transparent electrode made, for example, of metal.
  • This layer is then covered according to the type of cells with one or more layers (semiconductor and / or insulator and / or conductor), the upper layer forming the second electrode.
  • layers semiconductor and / or insulator and / or conductor
  • the profitability of existing photovoltaic cells is limited by the price of the active material used. The price can indeed represent up to almost 70% of the final cost of the complete device.
  • the development of photovoltaic cells passes preferably, by the use of low-cost materials, endowed with an appreciable yield.
  • photovoltaic cells composed of an organic dye are the subject of considerable interest because of their low potential manufacturing cost. These cells use organic dyes adsorbed on inorganic semiconductor nanostructures.
  • These dyes which promote the absorption of light energy, play a key role in charge separation processes; they are in contact with a liquid containing a redox couple (for example I3- / I-) which regenerate them after they have injected the electrons in the inorganic semiconductor.
  • a redox couple for example I3- / I-
  • the electrons transferred to the inorganic semiconductor are captured at a collector electrode while the redox couple is regenerated at the counter electrode, the result being the production of electric current.
  • the operating principle of such a device means that there is no consumption of material or waste during the production of electrical energy. It was notably announced that this type of cell could reach a yield of around 10% corresponding to an illumination of one kilowatt per square meter (100 m. Cm-2) of solar radiation.
  • electrochemical cells with a high kinetic coefficient in which at least one of the electrodes is made of an electroactive material with a mesostructure.
  • the three-dimensional structure with a mesoporous texture forms with the electrolyte a bicontinuous junction of large specific surface.
  • the electrode material which is suitable for reversible intercalation of ions and for transporting electrons, is penetrated by an interconnected porous space filled with electrolyte, the latter serving for ion transport.
  • the three-dimensional structure of the electrode is designed to overcome the problem of ionic diffusion in the electrolyte inherent in conventional electrodes with large active surface, and to ensure interconnectivity, mechanical stability of the solid phase as well as 1 electrolyte access to the entire porous space.
  • Another patent, PCT application O00 / 065653 describes a process for manufacturing a semiconductor device with thin layers comprising an arrangement of electrodes coming into contact with an organic semiconductor material, as well as an anode placed in the arrangement of electrodes and composed of a two-layer structure.
  • the first layer consists of a conductive or semiconductor material or a combination thereof, deposited on a substrate, and the second layer consists of a conductive polymer with a working function greater than that of the material of the first layer.
  • a third layer composed of an organic semiconductor material and forming the active material of the device, is deposited on the top of the anode, the cathode being produced by means of a fourth layer of metal deposited on the third layer.
  • a metal with a low working function is used in the first layer
  • a doped conjugated polymer such as PEDOT-PSS is used in the second layer, while can form the cathode using the same metal as that used for the first layer.
  • This solution involves an operation of depositing a PEDOT type material.
  • the main object of the invention is to remedy the drawbacks of the prior art by providing an all-solid photovoltaic cell (therefore devoid of an electrolytic solution) consisting of a heterogeneous junction photochemically developed allowing intimate contact between two compounds, although better than the contact obtained by simple deposit.
  • the invention relates, according to its most general meaning, to a process for the preparation of a hybrid organic-inorganic photoactive semiconductor material, composed of a semiconductor oxide and a semiconductor polymer, characterized in that that it comprises a step of in-situ formation of the polymer on the surface of the semiconductor oxide by photopolymerization without the application of an external potential.
  • the photopolymerization step is carried out by ultraviolet irradiation, in particular radiation having a wavelength between 200 and 400 nanometers, for a period of between 5 minutes and 2 hours.
  • the process is preferably carried out in the open air and not under a controlled atmosphere as in the solutions of the prior art.
  • the semiconductor polymer is constituted by polyethylenedioxythiophene (PEDOT), by a derivative of polyethylenedioxythiophene (PEDOT), by polypropylenedioxythiophene (PRODOT) or a derivative of polypropylenedioxythiophene (PRODOT).
  • the oxide belongs to the family of n-type semiconductor oxides and is the subject of a surface activation treatment prior to the photopolymerization step, in particular a treatment with a peroxide.
  • the method comprises an additional step of rinsing acetonitrile and water.
  • the invention also relates to a hybrid organic-inorganic photoactive semiconductor material, composed of a semiconductor oxide and a semiconductor polymer, characterized in that it comprises on the surface of the semiconductor oxide a polymer. formed by photopolymerization, and a photovoltaic cell characterized in that the light source side electrode is constituted by a layer of transparent n-type semiconductor metal oxide.
  • it further comprises a hole-transporting material placed between the photoactive material and the counter-electrode.
  • the invention also relates to a super-capacitor comprising two electrodes characterized in that at least one of said electrodes is formed by said material.
  • the invention is based on the preparation of a heterogeneous "photo functional interface", making it possible to create in situ and immobilize an organic semiconductor polymer on an inorganic semiconductor surface.
  • This organic polymer can ensure both the absorption of light energy and transport one of the charge carriers generated during charge separation.
  • the advantage of such a configuration is the use of a thin layer of polymer (10 to 50 nanometers) and the absence of liquid in the device because the polymer also plays the role of charge carrier in place of the couple redox in organic dye cells.
  • This conductive polymer also makes it possible to differentiate the functions of light absorption and of separation of electrical charges, which is not the case in inorganic-inorganic cells; these indeed require materials of high purity and high crystallinity.
  • the interfaces or junctions produced offer on the one hand a simplicity of manufacture and on the other hand the hope of a significant reduction in the cost of solar electricity.
  • said electrode or respectively the first layer of the semiconductor material comprises a layer formed of colloidal particles. This characteristic gives the active junction a very high effective surface.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a first type of photovoltaic cell, produced according to a first embodiment.
  • FIGS 2 to 3 are respectively enlarged partial views of the cell of Figure 1 according to different embodiments of the invention.
  • FIG. 1 represents an electrode 1 connected at its end by a first conductor 5.
  • the cell in the figure comprises a second electrode 4 connected to a second conductor 6; insulated from the first electrode 1 by a first layer 2 of a semiconductor material and a layer 3 of another semiconductor material.
  • semiconductor materials is understood to mean both inorganic semiconductor materials and organic semiconductors.
  • the first layer 2 of semiconductor material is directly in contact with the first electrode 1.
  • the junction can be made by spin-coating (spinning), by spray or by simple deposition.
  • the first electrode 1 is of TCO (Transparent Conductive Oxide) type in ITO; Sn02: F or ZnO.Al.
  • TCO Transparent Conductive Oxide
  • Sn02 F or ZnO.Al.
  • the upper conductive layer 4 will preferably be produced in the form of a thin layer of a material such as gold or aluminum or of a material having similar electrical conductivity properties.
  • the second semiconductor material (layer 3) is deposited under UV illumination on the layer 2 represented by an inorganic semiconductor material.
  • a porous structured nanometric film of very high roughness is necessary; represented by layer 2.
  • This film consists of the assembly of grains of ten nanometers deposited on a collecting support (electrode 1).
  • This surface is functionalized by treatment with an oxidizing agent to allow, in the presence UV, the polymerization of the monomer present on the surface.
  • the "hole” remains in the semiconductor material represented by layer 3 while the electron is injected into the semiconductor matrix of layer 2 which itself will transfer it to the collecting electrode. 1.
  • a pretreatment with a hole trap in order to modify the hydroxyl groups adsorbed on the surface of the grains.
  • hydrogen peroxide on a TiO 2 support makes it possible to replace the hydroxyl groups (OH) on the unsaturated sites on the surface of titanium in superoxide groups (00H).
  • the UV illumination of this surface allows the release of 00H radicals which are much more reactive to the polymerization of the monomer than the hydroxyl radicals.
  • an organic semiconductor material (layer 5) is deposited on the second organic semiconductor material (layer 3) deposited under UV illumination on layer 2 represented by an inorganic semiconductor material.
  • Layer 5 of organic semiconductor material is directly in contact with the organic semiconductor material (layer 3).
  • the junction can be carried out by spin-coating, by spray or by simple deposition.
  • the inorganic semiconductor used allows the preparation of nanostructured films. Unaffected by visible light, it only begins to absorb in the near ultraviolet.
  • the nanometric size of the particles (5-50 nm) gives the film a specific surface greater than 50 m2.gl.
  • a layer of 10 micrometers, nano structured has an internal surface equivalent to a thousand times that of a smooth compact film.
  • the conductive polymer constitutes the other key element of our solar cell and must, as such, satisfy two main requirements: - its absorption spectrum of light must extend over the widest possible range, so as to allow interception of a large part of the solar radiation, once excited by the absorption of a light photon, the conductive polymer must be capable of injecting an electron into the conduction band of the inorganic semiconductor used.
  • the first element of the lower conductive layer 2 is chosen from inorganic semiconductors more particularly composed of one or more of these metal oxides: tin oxide, indium oxide, lanthanum oxide, niobium oxide, strontium oxide, titanium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, zirconium oxide or mixed oxides formed from the mixture of two or more of the aforementioned oxides.
  • the photovoltaic cell will preferably contain particles of spherical metal oxides having a diameter between 5 and 3000 nm.
  • the pore volume of the semiconductor film is preferably of the order of 0.05 to 0.8 ml / g, and the diameter of the average pores is preferably from 2 to 250 nm.
  • Layer 2 typically has a thickness between 15 and 1000 nm.
  • the layer 3 can be made of an organic semiconductor material.
  • the organic semiconductor material constituting layer 3 can also be preferentially chosen from the following semiconductor materials: polyethylenedioxythiophene (PEDOT), derivative of polyethylenedioxythiophene (PEDOT), polypropylenedioxythiophene (PRODOT), derivative of polypropylenedioxythiophene (PRODOT.
  • organic conductor constituting layer 5 can be chosen from the following organic semiconductor materials: polythiophene derivatives, in particular poly-3-alkylthiophene, polypyrrole derivatives (polypyrrole -N-substituted), N-substituted polycarbazoles, polyvinylcarbazole, polyfluorenes 9, 9 'substituted, derivatives of poly 1, 4-phenylene-vinylene or a copolymer prepared from at least one of the above polymers The presence of surfactant to improve the solubility of the monomers may be necessary.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de préparation d' un matériau semi-conducteur photo-actif hybride organique- inorganique, composé d' un oxyde semi-conducteur et d' un polymère semi-conducteur, caractérisé en ce qu' il comporte une étape de formation in-situ du polymère sur la surface de l' oxyde semi-conducteur par photopolymérisation sans l ' application d' un potentiel externe . Elle concerne également le matériau ainsi réalisé et l ' application pour des cellules photovoltaïques et des super-condensateurs .

Description

PROCÉDÉ DE PRÉPARATION D'UN MATÉRIAU SEMI-CONDUCTEUR PHOTOACTIF, MATÉRIAU AINSI RÉALISÉ ET APPLICATIONS
La présente invention concerne le domaine des cellules photovoltaïques comprenant une jonction élaborée photochimiquement constituée de matériaux à l'état solide. On comprendra par jonction la zone de transition entre un métal et un semi-conducteur ou entre deux semiconducteurs de types de conductivités différentes. Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs capables de fournir du courant électrique sous radiation lumineuse, comme celle émanant du soleil. Ces cellules sont actuellement utilisées dans différents dispositifs électroniques d'usage courant tels que des montres, des calculatrices, des appareils photos ou analogues et d'usage plus spécifique telle l'alimentation en courant de système isolé (habitation, refuge, etc.). Dans toutes les cellules photovoltaïques en couches minces connues, le matériau semi-conducteur utilisé est toujours déposé sous forme d'une mince couche continue à la surface d'un substrat recouvert préalablement d'une première électrode transparente réalisée par exemple en métal. Cette couche est ensuite recouverte selon le type de cellules d'une ou de plusieurs couches (semi-conductrice et/ou isolante et/ou conductrice) , la couche supérieure formant la deuxième électrode. Bien qu'au cours de ces dernières années, des efforts scientifiques et technologiques importants aient été réalisés, la rentabilité des cellules photovoltaïques existantes est limitée par le prix du matériau actif utilisé. Le prix peut en effet représenter jusqu'à près de 70% du coût final du dispositif complet. Ainsi, le développement des cellules photovoltaïques passe préférentiellement, par l'utilisation de matériaux de faible coût, dotés d'un rendement appréciable. D'autres part, ces dernières années, les cellules photovoltaïques composées d'un colorant organique font l'objet d'un intérêt considérable du fait de leur faible coût de fabrication potentiel. Ces cellules utilisent des colorants organiques adsorbés sur des nanostructures de semi-conducteur inorganique. Ces colorants, qui favorisent l'absorption de l'énergie lumineuse, jouent un rôle primordial dans les processus de séparation de charge; ils sont au contact d'un liquide contenant un couple redox (par exemple I3-/I-) qui les régénèrent après qu'ils aient injecté les électrons dans le semi-conducteur inorganique. Les électrons transférés au semi-conducteur inorganique sont captés à une électrode collectrice alors que le couple redox est régénéré à la contre électrode, le résultat étant la production de courant électrique. Le principe de fonctionnement d'un tel dispositif fait qu'il y a ni consommation de matière ni déchets lors de la production de l'énergie électrique. Il a été notamment annoncé que ce type de cellule pouvait atteindre un rendement de l'ordre de 10% correspondant à un éclairement de un kilowatt par mètre carré (100 m .cm-2) de radiation solaire. Ce rendement est équivalent au système actuel de cellule au silicium et surtout, dans ces conditions, présente un avantage en terme de rapport qualité/prix par rapport à ces dispositifs traditionnels basés sur les hétérojonctions . Néanmoins, certains problèmes technologiques doivent être résolus, tel que la stabilité à long terme et 1' encapsulation du dispositif. Ce problème est lié à l'utilisation de composés organiques et à la présence de liquide dans le système. Un des paramètres qui limite la performance des cellules photovoltaïques dotées de colorants organiques, est l'efficacité de l'injection de charge dans le semi-conducteur inorganique. Le colorant est en effet immobilisé par une simple adsorption sur la surface du semiconducteur inorganique et la qualité du contact dépend beaucoup de l'affinité entre ces deux composants.
On connaît également dans l'état de la technique des cellules électrochimiques à coefficient cinétique élevé, dans laquelle au moins une des électrodes est constituée d'un matériau électroactif à mésostructure. La structure tridimensionnelle à texture mésoporeuse forme avec 1 ' électrolyte une jonction bicontinue de grande surface spécifique. Le matériau d'électrode, qui convient en vue d'une intercalation réversible d'ions et pour le transport d'électrons, est pénétré par un espace poreux interconnecté rempli d' électrolyte, ce dernier servant au transport d'ions. La structure tridimensionnelle de l'électrode est conçue en vue de surmonter le problème de la diffusion ionique dans 1 ' électrolyte, inhérent aux électrodes classiques à grande surface active, et d'assurer 1 ' interconnectivité, la stabilité mécanique de la phase solide ainsi que l'accès de 1 ' électrolyte à l'espace poreux entier. Cette solution n'est pas totalement satisfaisante car elle met en œuvre une phase liquide dans un matériau microporeux, ce qui pose des problèmes de durée de vie et de coût de fabrication. Un autre brevet, la demande PCT O00/065653 décrit un procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur à couches minces comprenant un agencement d'électrodes entrant en contact avec un matériau organique semi-conducteur, ainsi qu'une anode placée dans l'agencement d'électrodes et composée d'une structure à deux couches. La première couche est constituée d'un matériau conducteur ou semi-conducteur ou d'une combinaison de ceux-ci, déposée sur un substrat, et la seconde couche est constituée d'un polymère conducteur à fonction de travail supérieure à celle du matériau de la première couche. Une troisième couche, composée d'un matériau organique semi-conducteur et formant le matériau actif du dispositif, est déposée sur le sommet de l'anode, la cathode étant réalisée au moyen d'une quatrième couche de métal déposée sur la troisième couche. Dans un mode de réalisation préféré de ce brevet de l'art antérieur, on utilise dans la première couche un métal à faible fonction de travail, on utilise dans la seconde couche un polymère conjugué dopé tel que PEDOT-PSS, tandis que l'on peut former la cathode à l'aide du même métal que celui utilisé pour la première couche. Cette solution implique une opération de dépôt d'un matériau de type PEDOT .
L'invention a pour but principal de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en fournissant une cellule photovoltaïque tout solide (donc dépourvue d'une solution électrolytique) constituée d'une jonction hétérogène élaborée photochimiquement permettant un contact intime entre des deux composés, bien meilleur que le contact obtenu par simple dépôt. A cet effet l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de préparation d'un matériau semi-conducteur photo-actif hybride organique-inorganique, composé d'un oxyde semi-conducteur et d'un polymère semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de formation in-situ du polymère sur la surface de l'oxyde semi-conducteur par photopolymérisation sans l'application d'un potentiel externe. Avantageusement, l'étape de photopolymérisation est réalisée par irradiation ultra-violet, notamment un rayonnement présentant une longueur d'onde comprise entre 200 et 400 nanomètres, pendant une durée comprise entre 5 minutes et 2 heures . Le procédé est préférentiellement mis en œuvre à l'air libre et non pas sous atmosphère contrôlée comme dans les solutions de l'art antérieur. De préférence, le polymère semi-conducteur est constitué par du polyéthylènedioxythiophène (PEDOT) , par un dérivé de polyéthylènedioxythiophène (PEDOT) , par du polypropylènedioxythiophène (PRODOT) ou un dérivé de polypropylènedioxythiophène (PRODOT) . De préférence, l'oxyde appartient à la famille des oxydes semi-conducteurs de type n et fait l'objet d'un traitement d' activation de surface préalablement à l'étape de photopolymérisation, en particulier un traitement par un peroxyde.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, le procédé comporte une étape additionnelle de rinçage acétonitrile et d' eau. L'invention concerne également un matériau semiconducteur photo-actif hybride organique-inorganique, composé d'un oxyde semi-conducteur et d'un polymère semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte sur la surface de l'oxyde semi-conducteur un polymère formé par photopolymérisation, et une cellule photovoltaïque caractérisé en ce que l'électrode côté source lumineuse est constituée par une couche d'oxyde métallique semi-conducteur de type n transparent. De préférence, elle comporte en outre un matériau transporteur de trous placé entre le matériau photoactif et la contre-électrode. L'invention concerne encore un super-condensateur comprenant deux électrodes caractérisé en ce que l'une au moins desdites électrodes est constituée par ledit matériau.
L'invention repose sur la préparation d'une « interface photo fonctionnelle » hétérogène, permettant de créer in situ et d'immobiliser un polymère semi-conducteur organique sur une surface de semi-conducteur inorganique. Ce polymère organique peut assurer à la fois l'absorption de l'énergie lumineuse et transporter un des porteurs de charge générés lors de la séparation de charge. L'avantage d'une telle configuration est l'utilisation d'une couche mince de polymère (10 à 50 nanomètres) et l'absence de liquide dans le dispositif car le polymère joue également le rôle de porteur de charge à la place du couple redox dans les cellules à colorant organique. Ce polymère conducteur permet également de différencier les fonctions d'absorption de la lumière et de séparation des charges électriques, ce qui n'est pas le cas dans les cellules inorganique-inorganique; celles-ci nécessitent en effet des matériaux de haute pureté et de haute cristallinité . Avec le procédé original proposé, les interfaces ou jonctions réalisées offrent d'une part une simplicité de fabrication et d'autre part l'espoir d'une réduction significative du coût de l'électricité solaire.
Dans les modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : Sur ladite face de support est déposé en couche mince le semi-conducteur inorganique sur lequel est polymérisé « in situ » le monomère par voie photochimique. Lesdites autres couches s'étendent successivement sur la couche polymère ainsi formée. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention commune au premier mode de réalisation, ladite électrode ou respectivement la première couche du matériau semi-conducteur comprend une couche formée de particules colloïdales. Cette caractéristique confère à la jonction active une surface effective très élevée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de modes de réalisation de la cellule photovoltaïque de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, en liaison avec les dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un premier type de cellule photovoltaïque, réalisé selon un premier mode de réalisation. - les figures 2 à 3 sont respectivement des vues partielles agrandies de la cellule de la figure 1 selon différentes variantes de réalisation de l'invention.
Sur les dessins annexés, certains éléments peuvent être représentés à des dimensions plus grandes ou plus petites que dans la réalité, et ce afin de faciliter la compréhension des figures. L'invention va maintenant être décrite dans une application aux cellules photovoltaïques à hétérojonction semi-conducteur en liaison avec les figures 1 à 3. Le principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque est bien connu de l'homme de métier si bien qu'il n'y sera fait allusion dans la description qui suit que dans la mesure où il existe un lien entre ce principe et l'invention. Pour une explication des phénomènes physiques mis en jeu dans les cellules photovoltaïques; on pourra notamment se référer à l'ouvrage intitulé « Microelectronic devices » par M. Edward and S. Yang. La figure 1 représente une électrode 1 reliée à son extrémité par un premier conducteur 5. La cellule de la figure comprend une deuxième électrode 4 reliée à un deuxième conducteur 6; isolée de la de la première électrode 1 par une première couche 2 d'un matériau semi-conducteur et une couche 3 d'un autre matériau semi-conducteur. Bien entendu, on entend par matériaux semi-conducteurs aussi bien les matériaux semi-conducteurs inorganiques que les semi-conducteurs organiques.
La première couche 2 de matériau semi-conducteur est directement en contact avec la première électrode 1. La jonction pourra être réalisé par spin-coating (tournette) , par spray ou par simple dépôt. La première électrode 1 est de type TCO (Transparent Conductive Oxide) en ITO; Sn02 : F ou ZnO.Al. Bien entendu, l'homme de métier pourra choisir tout autre couche conductrice électronique transparente équivalente. La couche conductrice 4 supérieure sera de préférence réalisée sous la forme d'une couche mince d'un matériau tel que l'or ou l'aluminium ou d'un matériau présentant des propriétés de conductivités électriques similaires.
Selon un premier mode de réalisation, le deuxième matériau semi-conducteur (couche 3) est déposé sous illumination UV sur la couche 2 représentée par un matériau semi-conducteur inorganique. Afin d' obtenir un rendement photovoltaïque appréciable, un film nanométrique structuré poreux de très haute rugosité est nécessaire ; représenté par la couche 2. Ce film est constitué par l'assemblage de grains d'une dizaine de nanomètres déposé sur un support collecteur (électrode 1) . Cette surface est fonctionnalisée par traitement par un agent oxydant pour permettre, en présence d'UV, la polymérisation du monomère présent sur la surface. Par ce procédé, nous obtenons un contact intime entre des deux composés, bien meilleur que le contact obtenu par simple dépôt. Le taux d'absorption de lumière peut être considérable, ce qui se traduit par un rendement élevé en énergie électrique. Après séparation des charges, le "trou" reste dans le matériau semi-conducteur représenté par la couche 3 alors que l'électron est injecté dans la matrice semi-conductrice de la couche 2 qui elle-même va le transférer vers l'électrode collectrice 1. On comprendra par fonctionnalisation de la surface; un prétraitement par un piège à trous dans le but de modifier les groupements hydroxyles adsorbés à la surface des grains . Par exemple l'ajout de peroxyde d'hydrogène sur un support de Ti02 permet de substituer les groupements hydroxyles (OH) sur les sites insaturés en surface du titane en groupements superoxydes (00H) . L'illumination U.V de cette surface permet la libération de radicaux 00H beaucoup plus réactifs à la polymérisation du monomère que les radicaux hydroxyles .
Selon un deuxième mode de réalisation, sur le deuxième matériau semi-conducteur organique (couche 3) déposé sous illumination UV sur la couche 2 représentée par un matériau semi-conducteur inorganique, est déposé un matériau semiconducteur organique (couche 5) . La couche 5 de matériau semi-conducteur organique est directement en contact avec le matériau semi-conducteur organique (couche 3) . La jonction peut être réalisée par spin-coating, par spray ou par simple dépôt.
Le semi-conducteur inorganique utilisé permet la préparation de films nano structurés. Insensible à la lumière visible, il ne commence à absorber que dans le proche ultraviolet. La taille nanométrique des particules (5-50 nm) confère au film une surface spécifique supérieure à 50 m2.g-l. Ainsi, une couche de 10 micromètres, nano structurée, présente une surface interne équivalant à mille fois celle d'un film compact lisse. Le polymère conducteur constitue l'autre élément clé de notre cellule solaire et doit, à ce titre, satisfaire deux exigences principales : - son spectre d'absorption de la lumière doit s'étendre sur le plus large domaine possible, de manière à permettre l'interception d'une importante part du rayonnement solaire, une fois excité par l'absorption d'un photon lumineux, le polymère conducteur doit être capable d'injecter un électron dans la bande de conduction du semiconducteur inorganique utilisée.
Les deux matériaux que nous utilisons auront une excellente stabilité physique (en température et en pression) et chimiques (insoluble dans l'eau et résistants aux attaques acides ou basiques) . Dans les différents modes de réalisation, le premier élément de la couche conductrice inférieure 2 est choisi parmi les semi-conducteurs inorganiques plus particulièrement composés de un ou plusieurs de ces oxydes métalliques : l'oxyde d'étain, l'oxyde d' indium, l'oxyde de lanthane, l'oxyde de niobium, l'oxyde de strontium, l'oxyde de titane, l'oxyde de tungstène, l'oxyde de zinc, l'oxyde de zirconium ou d'oxydes mixtes formés du mélange de deux ou plusieurs des oxydes précédemment cités. La cellule photovoltaïque contiendra de préférence des particules d'oxydes métalliques sphériques ayant un diamètre compris entre 5 et 3000 nm. Le volume poreux du film semi-conducteur est de préférence de l'ordre 0.05 à 0.8 ml/g , et le diamètre des pores moyens est de préférence de 2 à 250 nm. La couche 2 présente typiquement une épaisseur comprise entre 15 et 1000 nm. Selon le mode de réalisation, la couche 3 peut être réalisée en un matériau semi-conducteur organique. Le matériau semi-conducteur organique constituant la couche 3 peut aussi être choisi preferentiellement parmi les matériaux semi-conducteurs suivants : polyéthylènedioxythiophène (PEDOT) , dérivé de polyéthylènedioxythiophène (PEDOT) , polypropylènedioxythiophène (PRODOT) , dérivé de polypropylènedioxythiophène (PRODOT . Le matériau semi-conducteur organique constituant la couche 5 peut être choisi parmi les matériaux semiconducteurs organiques suivants : dérivés du polythiophène, notamment les poly-3-alkylthiophène, dérivés du polypyrrole (polypyrrole -N-substitués) , polycarbazoles N-substitrués, polyvinylcarbazole, polyfluorénes 9, 9' substitués, les dérivés du poly 1, 4-phénylène-vinylène ou encore un copolymère préparé à partir d'au moins un des polymères précités La présence de surfactant pour améliorer la solubilité des monomères peut être nécessaire.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif hybride organique-inorganique, composé d'un oxyde semi-conducteur et d'un polymère semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de formation in-situ du polymère sur la surface de l'oxyde semi-conducteur par photopolymérisation sans l'application d'un potentiel externe.
2 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de photopolymérisation est réalisée par irradiation ultra-violet.
3 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'irradiation est réalisée avec un rayonnement présentant une longueur d'onde comprise entre 200 et 400 nanomètres .
4 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'irradiation est réalisée pendant une durée comprise entre 5 minutes et 2 heures.
5 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre à l'air libre.
6 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit polymère semi-conducteur est constitué par du polyéthylènedioxythiophène (PEDOT) .
7 - Procédé de préparation d'un matériau semi- conducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit polymère semi-conducteur est constitué par un dérivé de polyéthylènedioxythiophène (PEDOT) . 8 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit polymère semi-conducteur est constitué par du polypropylènedioxythiophène (PRODOT) .
9 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit polymère semi-conducteur est constitué par un dérivé de polypropylènedioxythiophène (PRODOT) .
10 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit oxyde appartient à la famille des oxydes semi-conducteurs de type n .
11 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau semi-conducteur organique constituant la couche 5 peut être choisi parmi les matériaux semi-conducteurs organiques suivants : dérivés du polythiophène, notamment les poly-3-alkylthiophène, dérivés du polypyrrole (polypyrrole -N-substitués) , polycarbazoles N-substitrués, polyvinylcarbazole, polyfluorénes 9, 9' substitués, les dérivés du poly 1, 4-phénylène-vinylène ou encore un copolymère préparé à partir d'au moins un des polymères précités .
12 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit oxyde fait l'objet d'un traitement d'activation de surface préalablement à l'étape de photopolymérisation.
13 - Procédé de préparation d'un matériau semiconducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit traitement d'activation de surface est réalisé par un traitement par un peroxyde.
14 - Procédé de préparation d'un matériau semi- conducteur photo-actif selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de rinçage acétonitrile et d'eau.
15 - Matériau semi-conducteur photo-actif hybride organique-inorganique, composé d'un oxyde semi-conducteur et d'un polymère semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte sur la surface de l'oxyde semi-conducteur un polymère formé par photopolymérisation. 16 - Matériau semi-conducteur photo-actif hybride organique-inorganique, selon la revendication 15, caractérisé en ce le polymère semi-conducteur est constitué par du polyéthylènedioxythiophène (PEDOT) . 17 - Matériau semi-conducteur photo-actif hybride organique-inorganique, selon la revendication 15, caractérisé en ce le polymère semi-conducteur est constitué par du polypropylènedioxythiophène (PRODOT) .
18 - Matériau semi-conducteur photo-actif hybride organique-inorganique, selon la revendication 15, 16 ou 17, caractérisé en ce que ledit oxyde appartient à la famille des oxydes semi-conducteurs de type n.
19 - Cellule photovoltaïque comprenant deux électrodes entre lesquelles est disposé un matériau photo-actif caractérisée en ce que ledit matériau photo-actif comprend un matériau conforme à l'une au moins des revendications 15 à 18.
20 - Cellule photovoltaïque selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'électrode côté source lumineuse est constituée par une couche d'oxyde métallique semi-conducteur de type n transparent.
21 - Cellule photovoltaïque selon la revendication 19, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un matériau transporteur de trous placé entre le matériau photo-actif et la contre-électrode.
22 - Super -condensateur comprenant deux électrodes, caractérisé en ce que l'une au moins desdites électrodes est constituée par un matériau conforme à l'une au moins des revendications 15 à 18.
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