Depuis plus de six décennies, les scientifiques développent des cellules solaires organiques comme alternative légère et flexible aux panneaux de silicium conventionnels.
Ces appareils à base de carbone pourraient alimenter des appareils électroniques portables, des surfaces courbes et des fenêtres solaires. Cependant, ils ont longtemps eu du mal à égaler l’efficacité du silicium car ils perdent trop d’énergie lors de la conversion de la lumière solaire en électricité.
Des chercheurs de l’Université de Chiba au Japon ont désormais identifié un moyen de réduire l’une de ces pertes sans sacrifier le courant électrique généré par les cellules.
Limite thermodynamique pour réduire les pertes de tension
L’équipe a découvert une limite thermodynamique pour la génération de photocourant et a constaté que l’utilisation de molécules donneuses plus rigides pourrait réduire les pertes de tension radiative. Dans plusieurs dispositifs, ces molécules ont abaissé l’énergie de liaison effective de transfert de charge (CT) à 0,1 électron-volt (eV) ou moins, rapprochant l’état CT en énergie des charges complètement séparées et rendant la séparation des charges plus efficace.
Les chercheurs ont également découvert que le photocourant pouvait être maintenu lorsque l’écart d’énergie optique du donneur correspondait étroitement à l’énergie du porteur libre, l’énergie nécessaire pour créer des charges complètement séparées. En d’autres termes, le matériau donneur absorbait juste assez d’énergie solaire pour libérer des charges électriques sans gaspiller l’excès d’énergie sous forme de chaleur. Les cellules solaires fonctionnant à proximité de cette limite thermodynamique avaient également tendance à atteindre des rendements de conversion de puissance plus élevés.
« À plus long terme, de tels dispositifs pourraient rendre la récupération de l’énergie solaire plus pratique dans des applications légères, flexibles et limitées en espace, difficiles à utiliser pour les modules en silicium conventionnels », a déclaré Hirohiko Fukagawa, professeur au Center for Frontier Science de l’Université de Chiba et auteur principal de l’étude.
Un donneur rigide ouvre la voie à de nouvelles conceptions potentielles
Bien que les cellules solaires organiques de laboratoire aient désormais dépassé 20 % d’efficacité de conversion d’énergie, les chercheurs ont continué à chercher des moyens de réduire les pertes de tension tout en maintenant le photocourant.
Pour découvrir cette relation, les chercheurs ont construit des cellules solaires organiques simplifiées avec des couches donneuses et acceptrices séparées. La couche donneuse absorbe la lumière visible, tandis que la couche acceptrice transparente laisse passer la lumière du soleil. Ils ont associé cinq matériaux donneurs, chacun avec des structures moléculaires et des degrés de rigidité différents, à 15 matériaux accepteurs dont les affinités électroniques variaient de 2,0 à 3,1 eV.
En utilisant la spectroscopie photoélectronique ultraviolette et la spectroscopie photoélectronique inverse de basse énergie, l’équipe a mesuré les énergies d’ionisation des donneurs et les affinités électroniques des accepteurs à l’état solide. Ces méthodes leur ont permis de déterminer les niveaux d’énergie des matériaux dans des conditions qui ressemblent davantage à celles d’une cellule solaire en état de marche.
Les chercheurs ont averti que l’énergie de liaison du CT ne détermine pas à elle seule les performances. Il est également affecté par des facteurs tels que la distance dans laquelle les charges se propagent à travers les molécules, la façon dont les molécules donneuses et acceptrices sont emballées et l’environnement électrostatique à leur interface. Ils ont déclaré que leurs découvertes fournissaient une nouvelle ligne directrice de conception pour développer des cellules solaires organiques plus efficaces.
Les résultats ont été publiés récemment dans la revue Matériaux avancés.
