Rev. Phys. Appl. (Paris) 20, 511-521 (1985)
DOI: 10.1051/rphysap:01985002007051100

Effet photovoltaïque dans des couches minces de phtalocyanines

M. Khelifi¹, M. Mejatty², J. Berrehar³ et H. Bouchriha<sup>2

1</sup>  Département de Physique, E.N.S., Bizerte, Tunisie
²  Département de Physique, Faculté des Sciences de Tunis, Campus Universitaire, 1060 Tunis, Tunisie
³  Groupe de Physique des Solides, Tour 23, 2, place Jussieu, 75221 Paris Cedex 05, France

Abstract
We have elaborated photovoltaic cells using thin layers of phtalocyanines between two metallic contacts of gold and aluminium (Al/MPc/Au). These layers absorb strongly in the ultraviolet and the visible, absorption coefficients are in the range of 105 cm-1. The action spectra of these cells depends both on the illuminated side and on the layer thickness. We found that it is the Al/MPc contact which is active in the carriers generation mechanism and we have determined diffusion pairs length (˜ 2 × 10 -6 cm) and potential barrier width (˜ 10-6 cm). The analysis of the I-V characteristics shows that the energetic conversion efficiency is maximal for a layer thickness of about 2 000 A and is in the range of (10 -2-10-1 %) for magnesium phtalocyanine. The dependence of Voc (˜ 0.5 V) and Jsc on the light intensity gives a diode factor of about one. The C-V characteristics analysis allowed the determination of the space charge density and the diffusion potential (˜ 0.7 V), we have so evaluated the gap energy (˜ 2 eV) and the work functions (˜ 5 eV) for the different phtalocyanines compounds. Finally, transmission electron microscopy shows a chain type structures nearly parallels and equidistants which is favourable to doping impurities infiltration, as for iodine doping which gives more performant cells.

Résumé
Nous avons élaboré des cellules photovoltaiques utilisant des couches minces de phtalocyanines entre deux contacts métalliques en or et en aluminium (Al/MPc/Au). Ces couches absorbent fortement dans l'ultraviolet et le visible, les coefficients d'absorption étant de l'ordre de 105 cm-1. Le spectre d'action de ces cellules dépend à la fois du côté de l'éclairement et de l'épaisseur de la couche. Nous avons montré que c'est le contact Al/MPc qui est actif dans le mécanisme de création des porteurs, et nous avons déterminé les longueurs de diffusion des paires (˜ 2 × 10-6 cm) ainsi que la largeur de la barrière de potentiel (˜ 10-6 cm). L'analyse des caractéristiques I-V a montré que le rendement de conversion énergétique est maximal pour une épaisseur voisine de 2 000 A et est de l'ordre de 10-2-10 -1 % pour la phtalocyanine de magnésium. La variation de Vco (˜ 0,5 V) et de Jcc avec l'intensité de la lumière excitatrice a permis d'atteindre un facteur de diode voisin de l'unité. L'étude des caractéristiques C-V a permis de déterminer la densité de charge d'espace et le potentiel de diffusion (˜ 0,7 V), on a pu ainsi évaluer les largeurs de bandes interdites (˜ 2 eV) et les travaux d'extraction (˜ 5 eV) pour les différentes phtalocyanines. Enfin l'analyse par microscopie électronique de transmission a montré que les couches ont une structure en chaînes à peu près parallèles et équidistantes ce qui est propice à l'infiltration d'impuretés dopantes; ainsi un dopage à l'iode a été efficace et a permis l'amélioration des performances des cellules.

PACS
7220J - Charge carriers: generation, recombination, lifetime, and trapping semiconductors/insulators.
7240 - Photoconduction and photovoltaic effects: photodielectric effects.
8630J - Photoelectric conversion: solar cells and arrays.
4210 - Photoconducting materials and properties.
4250 - Photoelectric devices.
8420 - Solar cells and arrays.

Key words
electrical conductivity of amorphous semiconductors and insulators -- energy gap -- organic compounds -- photovoltaic effects -- space charge -- transmission electron microscope examination of materials -- work function -- solar cells -- photovoltaic cells -- phthalocyanines -- absorption coefficients -- action spectra -- carrier generation mechanism -- diffusion pairs length -- potential barrier width -- I V characteristics -- energy conversion efficiency -- diode factor -- C V characteristics -- space charge density -- gap energy -- work functions -- transmission electron microscopy -- doping impurity infiltration