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Nouvelle génération de semi-conducteurs :Des écrans, à l’éclairage en passant par le
photovoltaïque
Laurence VIGNAU
Recherche : Laboratoire IMSEnseignement : ENSCBP/Bordeaux INP
laurence.vignau@ims-bordeaux.fr
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
L’équipe « Electronique Organique » de l’IMS
Travaux de recherche de l’équipe
Cellules photovoltaïques organiques Diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) Cellules solaires à colorants Transistors à effet de champ organique (OFETs) Photodétecteur
Intégration de semi-conducteurs organiques dans
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Sommaire
I. Généralités sur les matériaux semi-conducteurs
II. Les semi-conducteurs inorganiques Semi-conducteurs intrinsèques Semi-conducteurs extrinsèques : dopage Applications : LEDs, photovoltaïque
III. Les semi-conducteurs organiques « Petites molécules » et polymères conjugués Applications : écrans OLEDs, photovoltaïque
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
I. Généralités sur les matériaux semi-conducteurs
II. Les semi-conducteurs inorganiques Semi-conducteurs intrinsèques Semi-conducteurs extrinsèques : dopage Applications : LEDs, photovoltaïque
III. Les semi-conducteurs organiques « Petites molécules » et polymères conjugués Applications : écrans OLEDs, photovoltaïque
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Les matériaux semi-conducteurs1 1,008
1 numéro atomique masse atomique3 6,939 4 9,012 4 9,012
structure électronique symbole solide artificielliquide
2 11 23,00 12 24,31 nom gaz
319 39,10 20 40,08 21 44,96 22 47,90 23 50,94 24 52,00 25 54,94 26 55,85 27 58,93 28 58,71 29 63,55
437 85,47 38 87,62 39 88,91 40 91,22 41 92,91 42 95,94 43 98,91 44 101,1 45 102,9 46 106,4 47 107,9
555 132,9 56 137,3 57 198,9 72 178,5 73 180,9 74 183,9 75 186,2 76 190,2 77 192,2 78 195,1 79 197,0
687 223 88 226 89 227
7
* 58 140,1 59 140,9 60 144,24 61 145 62 150,35 63 152,0 64 157,3
Lanthanides6
** 90 232,0 91 231 92 238,0 93 237,1 94 244 95 243 96 247
Actinides7
/------------------------8------------------------\ 1B4B 5B 6B 7B
1AGroupe
2A
3B
H
Li
Sodium Magnésium
Be1s22s2
1s1
Hydrogène
Be1s22s21s22s1
Beryllium
Na Mg(Ne)3s1 (Ne)3s2
BerylliumLithium
K Ca(Ar)4s1 (Ar)4s2
Potassium Calcium
Rb Sr(Kr)5s1 (Kr)5s2
Rubidium Strontium
Cs Ba(Xe)6s1 (Xe)6s2
Césium Barium
Fr Ra(Rn)7s1 (Rn)7s2
Francium Radium
Sc(Ar)3d14s2
Scandium
Y(Kr)4d15s2
Yttrium
La*(Xe)5d16s2
Lanthane
Ac**(Rn)6d17s2
Actinium
Ti V Cr(Ar)3d24s2 (Ar)3d34s2 (Ar)3d54s1
Titane Vanadium Chrome
Zr Nb Mo(Kr)4d25s2 (Kr)4d45s1 (Kr)4d55s1
Zirconium Niobium Molybdène
W(Xe)4f145d26s2 (Xe)4f145d36s2 (Xe)4f145d46s2
Tantale Tungstène
MnMaganèse
(Kr)4d55s2
ReRhénium
Hf Ta
Fe Co(Ar)3d54s2 (Ar)3d64s2 (Ar)3d74s2
Fer Cobalt
Tc Ru Rh(Kr)4d75s1 (Kr)4d85s1
Technétium Ruthénium Rhodium
Os Ir(Xe)4f145d56s2 (Xe)4f145d66s2 (Xe)4f145d76s2
Osmium Iridium
Ni CuNickel Cuivre
(Kr)4d105s0 (Kr)4d105s1
Pt Au
(Ar)3d84s2 (Ar)3d104s1
Pd AgPalladium Argent
Platine Or
(Xe)4f145d106s0 (Xe)4f145d106s1
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd(Xe)4f75d16s2
Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium
(Xe)4f25d06s2 (Xe)4f35d06s2
U Np
(Xe)4f65d06s2 (Xe)4f75d06s2(Xe)4f45d06s2 (Xe)4f55d06s2
Cm(Rn)5f06d27s2 (Rn)5f26d17s2 (Rn)5f36d17s2 (Rn)5f56d07s2 (Rn)5f66d07s2 (Rn)5f76d07s2 (Rn)5f76d17s2
Th PaThorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium
Pu Am
2 4,003
5 10,81 6 12,01 7 14,01 8 15,99 9 18,99 10 20,18
13 26,98 14 28,09 15 30,97 16 32,06 17 36,45 18 39,95
30 65,38 31 69,72 32 72,59 33 74,92 34 78,96 35 79,91 36 83,80
48 112,4 49 114,8 50 118,7 51 121,8 52 127,6 53 126,9 54 131,3
80 200,6 81 204,4 82 207,2 83 209,0 84 210 85 210 86 222
65 158,9 66 162,5 67 164,9 68 167,3 69 168,9 70 173,0 71 175,0
97 247 98 251 99 254 100 257 101 256 102 254 103 257
GAZ
2B
3A
RARES
7A6A5A4A
Zn(Ar)3d104s2
Zinc
Cd(Kr)4d105s2
Cadmium
Mercure
Hg(Xe)4f145d106s2
Ga Ge(Ar)3d104s24p1 (Ar)3d104s24p2
Gallium Germanium
In Sn(Kr)4d105s25p1 (Kr)4d105s25p2
Indium Étain
B C1s22s22p1 1s22s22p2
Bore Carbone
Al Si(Ne)3s23p1 (Ne)3s23p2
Aluminium Silicium
N O1s22s22p3 1s22s22p4
Azote Oxygène
P S(Ne)3s23p3 (Ne)3s23p4
Phosphore Soufre
F Ne1s22s22p5 1s22s22p6
Argon
Fluor Néon
Cl Ar
He1s2
Hélium
As Se Br Kr
(Ne)3s23p5 (Ne)3s23p6
Chlore
(Ar)3d104s24p3 (Ar)3d104s24p4 (Ar)3d104s24p5 (Ar)3d104s24p6
Arsenic Sélénium Brome Krypton
Sb Te I XeIode Xénon
(Kr)4d105s25p3 (Kr)4d105s25p4 (Kr)4d105s25p5 (Kr)4d105s25p6
Bi Po
Antimoine Tellure
At Rn(Xe)4f145d106s26p1 (Xe)4f145d106s26p2 (Xe)4f145d106s26p3 (Xe)4f145d106s26p4 (Xe)4f145d106s26p5 (Xe)4f145d106s26p6
Tl PbThalium Plomb Bismuth Polonium Astate Radon
Dy Tm YbTbTerbium
(Rn)5f76d27s2
Lu(Xe)4f95d06s2 (Xe)4f105d06s2 (Xe)4f115d06s2 (Xe)4f125d06s2 (Xe)4f135d06s2 (Xe)4f145d06s2 (Xe)4f145d16s2
Ho ErLutétium
Bk Cf Es Fm Md No (Lw)
Dysprosium Holmium YtterbiumErbium Thulium
Berkélium Californium Einsteinium Fermium Mendéléviuml Nobélium Laurencium
(Rn)5f96d17s2
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Les matériaux semi-conducteurs
II III IV V VI
B C N
Al Si P S
Zn Ga Ge As Se
Cd In Sn Sb Te
Eléments semi-conducteurs :
→ éléments appartenant au groupe IV (4 électrons de valence)
Différents types de matériaux semi-conducteurs
Si : SC dominant (98% du marché)Ge : 1er SC utiliséa-Sn (étain gris) : rare
Si : (Ne)3s23p2 : 4 électrons de valenceGe : (Ar)3d104s24p2 : 4 électrons de valence
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Les matériaux semi-conducteurs
Ga : (Ar)3d104s24p1 : 3 électrons de valence
As : (Ar)3d104s24p3 : 5 électrons de valence
En moyenne4 électronsde valence
Semi-conducteurs composés
binaires : III-V (GaAs, GaN, InAs)II-VI (CdTe, ZnS)I-VII (CuBr)
ternaires : GaAs0,6 P0,4
quaternaires
II III IV V VI
B C N
Al Si P S
Zn Ga Ge As Se
Cd In Sn Sb Te
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Les matériaux semi-conducteurs
Semi-conducteurs non cristallins
Silicium amorphe
Verres semiconducteurs (sulfure de germanium), chalcogénures (Se, As2Se3)
Semiconducteurs organiques
• molécules de faible masse molaire
• polymères conjugués
H13C6 C6H13
* *n
PolyfluorèneS n
Poly(3-hexylthiophène)
anthracène naphtalène
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
I. Généralités sur les matériaux semi-conducteurs
II. Les semi-conducteurs inorganiques Semi-conducteurs intrinsèques Semi-conducteurs extrinsèques : dopage Applications : LEDs, photovoltaïque
III. Les semi-conducteurs organiques « Petites molécules » et polymères conjugués Applications : écrans OLEDs, photovoltaïque
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Métal / isolant / semi-conducteur
Conductivité croissante
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Conduction dans les semi-conducteurs
Conduction par électrons et trous
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Semi-conducteurs intrinsèques
Semi-conducteur intrinsèque : Semi-conducteur pur, dépourvu d’impureté, non dopé
n = p = ni
Conductivité des SC intrinsèques très faible augmentation de la conductivité par dopage
Son comportement électrique ne dépend que de sa structure et de l'excitation thermique
A 0 K : bande de valence pleine et bande de conduction vide les semi-conducteurs intrinsèques sont des isolants à 0K
Si T augmente : des e- passent de BV à BC
Chaque électron de la BC vient de la BV en laissant un trou
Densité d’e- = densité de trous = densité de porteurs intrinsèque
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Semi-conducteurs extrinsèques
Dopage de type n
--
--
--
--
--
--
- -
- -
- - - -
- -Si
Si
SiSi
Si
Si
Si Si-
As+ - - As+
-
Milieu diélectrique
N, P, As, Sb : 5 électrons 4 électrons sont pris dans les liaisonsLe 5ème électron gravite autour l'ion de As+
Si : 4 e- de valenceDans un cristal de Si on remplace un atome de Si par un atome pentavalent
Schématiquement :
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Semi-conducteurs extrinsèques
Chaque atome d'As ajoute un niveau d'impureté à Ed en-dessous de EC (Concentration ND)
E
EC
EV
EDEd
BV
BCT = 0 K
Dopage de type n
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Semi-conducteurs extrinsèques
--
- --
--
--
--
- -
- -
- - -
- -Si
Si
SiSi
Si
Si
Si Si
B- - - B-
+
Milieu diélectrique
+
-
B, Al, Ga, In : 3 électrons
3 électrons sont pris dans les liaisonsDans la 4ème liaison il y a une place libre
Schématiquement :
Dopage de type pSi : 4 e- de valenceDans un cristal de Si on remplace un atome de Si par un atome trivalent
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Semi-conducteurs extrinsèques
Chaque atome de B ajoute un niveau d'impureté à EA au-dessus de EV (Concentration NA)
E
EC
EV
EA
BV
BC
T = 0 K
Dopage de type p
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Semi-conducteurs extrinsèques
Si : colonne IVAs : colonne VB : colonne III
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Applications des SC inorganiques : les LEDs
Eclairage à LEDs
Grands écrans extérieurs à LEDs : affichage sportif et publicitaire
Rétro-éclairage des TV
Automobile
Diode électroluminescente : LED
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
Croissance du marché des LEDs par applications
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
Consommation énergétique par technologie d’éclairage
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
Principe de fonctionnement d’une LED inorganique
Couleur de la lumière émise : énergie du gap
Jonction pn polarisée en direct
P N
e-
h+
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
Substrate
n
Al
SiO2
Electrical contacts
p
Light output
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
GaX
GaP
GaAs
GaSb
Eg (eV)
2,25 vert
1,43 rouge
0,68 I.R.La lumière émise dépend du gap
GaPEg = 2,3 eV
vert (gap indirect)
GaAs
Eg = 1,4 eV
rouge (gap direct)
GaAs1-xPx
1,4 ≤ Eg ≤ 2,3 eVGaN
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
Matériaux inorganiques utilisés à l'heure actuelle permettent de couvrir pratiquement tout le spectre visible
La plupart des semiconducteurs de type III-V miscibles entre eux en toute proportion
réalisation d'alliages ternaires, de type GaAsxP1-x ou GaxIn1-xP permettent de couvrir une gamme spectrale importante par la seule variation du paramètre x
Emission bleue difficile à obtenir
matériaux à grand gap
difficulté de maîtriser le dopage de ces matériaux
1ère diode à émission vert-bleue en 1991 avec le composé II-VI ZnSe et en 1992 avec le composé III-V GaN
Emission des DEL dans le bleu bien supérieure aux ampoules classiques
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources".
Diode bleue 1992 (Nichia Chemical - Japon)
GaN - InGaN
LED bleue : GaN
445 - 485 nm
Nakamura
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
Une application phare des LEDs bleues : l'éclairage
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
Une application phare des LEDs bleues : l'éclairage
LEDs : plus efficaces, moins chères, faible consommation électrique
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
LEDs blanches pour l’éclairage
LED blanches : constituées d'un semi conducteur bleu sur lequel est déposé un luminophore permettant de convertir une partie du bleu émis en vert, jaune et rouge.
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les LEDs
Structure des couches d’une LED bleue.
LED bleue recouverte du luminophore jaune.
Spectre d’émission schématisé d’une LED blanche
LEDs blanches pour l’éclairage
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Energies renouvelables
Solaire10. 000 TW = techniquement disponibles20 TW = projection des besoins en 2040 (0,16% de la surface de la Terre recouverte de panneaux à 10%)
Éolienne14 TW
Biomasse5-7 TW
Géothermique1,9 TW
Hydraulique0,6-1,2 TW
http://www.sc.doe.gov/bes/reports/files/SEU_rpt.pdf
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Energy from Sun one hour: 430 EJEnergy Consumption one year: 495 EJ Image: NASA
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Lorsqu’un photon est absorbé, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite font passer un électron de la BV dans la BC du SC en laissant derrière lui un trou
création d’une paire électron-trou
Un photon est absorbé par un semi-conducteur quand son énergie est supérieure au gap, sinon il le traverse
¨ Pour créer une puissance électrique, on doit séparer les électrons et les trous. Pour cela, on utilise une jonction PN constituée par le contact entre un semi-conducteur de type p et un semi-conducteur de type n
BV
BC
BV
BC
h
Principe de fonctionnement
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Principe de fonctionnement
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
1ère cellule photovoltaïque développée par labo Bell en 1954 à base de Si avec un rendement de 6 %
Record actuel 43% obtenu par Solar Junction : cellules multijonctions (spatial)
Si monocristallin : ~ 25%
Si polycristallin (applications domestiques) : ~ 15 %
Si amorphe : ~ 11%
Couches minces (CIS, CIGS, CdTe) : ~ 19 %
Cellules à colorants (Grätzel) : 12,3 % (record nov 2011)
Cellules perovskite : 16 %
Organique : ~ 12 (record janv 2013) %
Cellules PV majoritairement à base de semi-conducteurs inorganiques (Si à 90%)
Matériau absorbant dans une cellule PV : semi-conducteur(s)
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
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Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Le SiliciumLa pierre de silice (SiO2) est à la base de la production de cellules photovoltaïques.
Si : élément le plus abondant sur la Terre après l'oxygène (27,6%). Il n'existe pas à l'état libre mais sous forme de dioxyde - la silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite, ...) - les silicates (dans les feldspath, la kaolinite, …)
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Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Monocristallin poly-cristallin amorphe
Solar Cell Technology
Max Lab Efficiency
Typical Cell
ThicknessSi Use Cost
Mono-crystalline Silicon (c-Si) 27.6% ~200µm High $$$
Poly-crystalline Silicon (p-Si) 20.4% ~200µm Moderate $$
Amorphous Silicon Thin Film (a-Si) 12.5% <1µm Low $
Le Silicium
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Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
Semi-conducteur dominant le marché des cellules PV : Si bonne collecte des photons du spectre solaire car Eg = 1,1 eV
Le silicium
Limite de Shockley–Queisser
W Shockley and HJ Queisser, J Appl Phys 32, pp. 510-519 (1961)
L’énergie des photons en excès est transformée en chaleur pendant la relaxation des charges
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
CIGS (copper-indium-gallium-selenium) CdTe
Cellules en couches minces : CIGS et CdTe
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
www.nanosolar.com
Cellule CIGS
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Applications des SC inorganiques : les cellules photovoltaïques
R. King, Appl. Phys. Lett. 90, 183516 (2007)http://photochemistry.epfl.ch/EDEY/Wenger_Cornuz.pdf
• En général semi-conducteurs III-V• Efficacité record > 40% sous concentration solaire• 4-6 jonctions• Limite thermodynamique pour une infinité de jonctions : 85%
Cellules à multijonctions
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I. Généralités sur les matériaux semi-conducteurs
II. Les semi-conducteurs inorganiques Semi-conducteurs intrinsèques Semi-conducteurs extrinsèques : dopage Applications : LEDs, photovoltaïque
III. Les semi-conducteurs organiques « Petites molécules » et polymères conjugués Applications : écrans OLEDs, photovoltaïque
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L’électronique organique
Electronique organique
Opto-électronique Electronique
"Organique" :Flexible, grande surface,
faible coût et légèreté
OLED Cellule PV
Substrat
Electrode
SC(s) organique(s)Electrode
SD
Substrat
G
SC organiquediélectrique
OFET
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Les semi-conducteurs organiques
2 types de semi-conducteurs organiques
Petites molécules Polymères
NN
N
CuN N
N N
N
CuPc
N
ON
O
N
O
Al
Alq3
N N
CH3 CH3
BCPPTCBI
SS
SS S
S
Oligomères
*
*
n
O
O
MEH-PPV
H13C6 C6H13
* *n
Polyfluorène
S n
Poly(3-hexylthiophène) MDMO-PPV
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Les semi-conducteurs organiques
1s
2s
2p
sp2
Esp2 hybridation
Semi-conducteurs organiques : molécule ou polymère conjugué
C 1s2 2s2 2p2
Systèmes conjugués : basé sur la propriété du C qui peut former 3 liaisons sp2 dans le plan une liaison entre 2 carbones peut être formée par recouvrement de 2 orbitales sp2
la 4ème orbitale 2pz est perpendiculaire au plan des orbitales sp2
recouvrement latéral de 2 orbitales 2pz donne naissance aux liaisons p
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Les semi-conducteurs organiques
HOMO bande de valence* LUMO bande de conduction
pz pz
sp2 sp2
*
*
Recouvrement latéral ( p bonds) plus faible que recouvrement axial (liaisons s)
Matériaux conjugated : faible - p p* gap (HOMO-LUMO) propriétés semi-conductrices absorption et émission dans le visible
La difference d'énergie entre les orbitales liantes et antiliantes s-s* est grande, bien au delà du visible grand HOMO-LUMO gap, propriétés isolantes.
Orbitales pz forment des liaisons π, avec un gap HOMO-LUMO plus petit, induisant des propriétés semi-conductrices et une forte absorption dans le spectre visible
Gap p -p* plus faible que s-s*
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Les semi-conducteurs organiques
Découverte des polymères « conducteurs » : 1977 reconnaissance : 2000prix Nobel de Chimie
"Dopage" à l'iode : 3 I2+ 2 e- → 2 I3-
Si "dopage" important les trous peuvent se déplacer
conduction électrique
H. Shirakawa, E.J. Louis, A.G. McDiarmid, C.K. Chiand, A.J. Heeger, Chem Com (1977) 578-580
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Les semi-conducteurs organiques
squelette p-conjuguéalternance de simples et doubles liaisons
introduction de porteurs de charges (mobiles)+
insertion de contre-ions (fixes)
A- A- A- A-
+ + + +
SEMI-CONDUCTEUR ORGANIQUE
DOPAGE
CONDUCTEUR ORGANIQUE
Du conducteur au semi-conducteur organique
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Les semi-conducteurs organiques
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Les semi-conducteurs organiques
Centrale de technologie des composants organiques au labo IMS
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC organiques : les OLEDs
Affichage Eclairage
1997 2014
Samsung KN55S9C
LG EA9800
Konica Minolta 131 Lm/W
Les OLEDs pour l’affichage et l’éclairage
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC organiques : les OLEDs
Car audio faceplate Pioneer, 1997 Sensotec shaver Philips1st PLED on the market
July 2002
Digital cameraKODAK Easyshare LS633 zoom "Small molecule" technology
Feb 2003
Music players MP3, MP4Sony XEL-1 200711" 3mm thick
2500 $
Mobile phone main displays
Samsung Galaxy S
Premiers produits OLEDs commerciaux
Sony's second-generation mobile gaming console : 5" touch OLED display (960x544)
Sony's Vita PSP
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Applications des SC organiques : les OLEDs
Nouveautés 2013-2014
Samsung 55EC9300 55" curved FHD direct-emission OLED TV~ 8000€ en 2013 - ~ 3500 $ en 2014
LG 55EM9700 is a 55" Full-HD OLED TV 100,000,000:1 contrast ratio and fast response time (1,000 times faster than LCD according to LG). The panel is only 4 mm thick and weighs just 3.5Kg
Carl Zeiss - Cinemizer OLED 3D - Lunettes 3DFournisseur OLED : MicroOLED
Amazon 644€
LG EA9800 : a 55" curved OLED TV~ 9000 € - 4800 € en 2014 (Amazon)
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Applications des SC organiques : les OLEDs
Ecran enroulableSony 2010, 4,1" Samsung 2011 : 19" transparent
AMOLED 'window'
Quelques prototypes
Samsung 0.05mm 'flapping' 4" AMOLED, 2008480x272, contraste 100,000:1, 200cd/m2 luminance
Ecrans transparentsEcrans flexibles
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Applications des SC organiques : les OLEDs
Août 2013 - Panasonic 114 lm/W OLED panel
Panasonic developed a white OLED lighting panel : 114 lm/W (1 cm2). Panasonic also developed a larger panel (25 cm2) with 110 lm/W. Long lifetime - over 100,000 hours (LT50) and a brightness of 1,000 cd/m2. The panel thickness was less than 2 mm.
OLEDs pour l’éclairage : records 2013 - 2014
August 2014Konica Minolta said they developed the world's most efficient OLED lighting panel - at 131 lm/W.
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Applications des SC organiques : les OLEDs
Cathode : déposée par évaporation sous vide
Couche organique déposée par : - “voie humide” (spin-coating, ink-jet …)- “voie sèche” (évaporation sous vide)
Anode (ITO) : déposée par pulvérisation cathodique
Substrat(verre, polymère,
métal)
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Applications des SC organiques : les OLEDsE
nerg
y (e
V)
Vapplied = 0
C
a
HOMO
LUMO
anode cathode
Vapplied > Vturn-on
+ +hn
qVbitheo = Fanode – Fcathode
Vacuum level
LUMO
HOMO
Cathode
e-
h+
Anode
A.E
.
P.I.
Fc
Fa
+ +
Vapplied = Vbi
A.E. : Affinité électronique P.I. : Potentiel d'ionisation
Fa : travail de sortie de l'anodeFc : travail de sortie de la cathode
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Applications des SC organiques : les OLEDs
Elaboration d’hétérostructures afin d’améliorer :
• l’injection de charges (HIL, EIL)• le transport de charges (HTL, ETL)• équilibre électrons-trous (HBL, EBL)
HIL
EMLHTL
HBL ETL
LUMO
HOMO
+ +h+
e-
Amélioration des performances : utilisation d'hétérostructures
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Applications des SC organiques : les OLEDs
• Dopage des couches HTL et ETL• « Dopage » de la couche émettrice par des matériaux phosphorescents ou
fluorescents
Pfeiffer at al., Adv Mat., 14 (2002) 1633
HTL-d
EBLEL dopé Ir(PPz)3
HBL ETL
Cathode
Anode
EML/dopedHTL
ETL
P-doped
N-doped
Structures PIN
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Applications des SC organiques : les OLEDs
Emetteurs RVB Emetteur bleu+ convertisseur de couleur
Emetteur blanc+ filtres
Efficacité
Positionnement des masquesVieillissement différentiel
Dépôt d’une monocouche Dépôt d’une monocouchePas de vieillissement différentiel
Luminance réduite par les convertisseurs
Luminance réduite par les filtres
Affichage : 3 pixels R V B
Génération de couleurs
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Applications des SC organiques : les cellules photovoltaïques organiques
Cellules solaires organiques sont légères et imprimables
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Applications des SC organiques : les cellules photovoltaïques organiques
World record in organic photovoltaics : 12 %
www.heliatek.com
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Applications des SC organiques : les cellules photovoltaïques organiques
Photovoltaïque organique récent années 1990
Fait suite au développement spectaculaire des diodes électroluminescentes organiques (OLED)
→ Technologie d’avenir pour les écrans plats
Même technologie pour OLEDs et les cellules photovoltaïques organiques
Applications :
Nouvelles applications où la concurrence du Si n'existe pas :- marché du jetable (court terme) - plastiques et tissus souples
Technologie polymère production de cellules de grande surface, en rouleau, par des méthode de type jet d’encre ou sérigraphie
Production d'énergie (long terme)
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Applications des SC organiques : les cellules photovoltaïques organiques
• Cellules potentiellement flexibles
• Cellules potentiellement semi-transparentes
• Technologie polymère : accès aux cellules grande surface
• Facilité d’intégration
• Coût nettement réduit
• Avantages écologique et économique
Avantages du photovoltaïque organique
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Applications des SC organiques : les cellules photovoltaïques organiques
Substrat : rigide (verre) ou flexible (polymère, métal)
Electrode transparente : généralement ITO (oxyde d’Indium et d’Etain) conducteur et transparent
Couche active (100 nm)
Electrode métallique : déposée par évaporation sous vide (Al, LiF+Al, …)
• « petites molécules » déposées par évaporation sous vide
• polymères déposés par voie humide (spin-coating, doctor-blading, jet d’encre …)
100 nm
Substrat
CathodeMatériau(x) organique(s)
Anode
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Applications des SC organiques : les cellules photovoltaïques organiques
4 Transport et collection des charges vers les électrodes
AnodeCa
thod
e
12
34
+
-
+
-
+
-
43
-
+
Donneur Accepteur
1
2
3
Absorption des photons - Génération des excitons
Diffusion des excitons vers l'interface donneur-accepteur
Dissociation des excitons à l'interface donneur-accepteur
Principe de fonctionnement
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Applications des SC organiques : les cellules photovoltaïques organiques
Pour certaines applications durée de vie de la cellule = durée de vie du produit
ex : packaging, étiquetage, textile
• Rapport efficacité – coût ?
• Cellules organiques → faible coût, faible efficacité → grande surface
• Faible rendement : 12 % (record 16 janv 2013)
• Faible durée de vie < 10 000 h
Etat des lieux du photovoltaïque organique
Laurence Vignau – Journée académique udppc – 8 octobre 2014
Merci de votre attention
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