Les chercheurs identifient et éliminent l’obstacle de l’efficacité des cellules solaires organiques

cellule photovoltaïque

Crédit : Unsplash/CC0 Domaine public

Les chercheurs ont identifié un mécanisme clé responsable de la baisse de l’efficacité des cellules solaires organiques et ont montré un moyen de surmonter cet obstacle.

Le groupe international de chercheurs, dirigé par l’Université de Cambridge, a identifié une voie de perte dans les cellules solaires organiques qui les rend moins efficaces que les cellules à base de silicium pour convertir la lumière du soleil en électricité. En outre, ils ont identifié un moyen de supprimer cette voie en manipulant des molécules à l’intérieur de la cellule solaire pour empêcher la perte de courant électrique par un état indésirable, connu sous le nom d’exciton triplet.

Leurs résultats, publiés dans la revue La nature, suggèrent qu’il pourrait être possible pour les cellules solaires organiques de concurrencer plus étroitement les cellules à base de silicium pour l’efficacité.

Les cellules solaires organiques, qui sont flexibles, semi-transparentes et bon marché, peuvent considérablement élargir la gamme d’applications de la technologie solaire. Ils pourraient être enroulés autour de l’extérieur des bâtiments et peuvent être utilisés pour le recyclage efficace de l’énergie utilisée pour l’éclairage intérieur, ce qui n’est pas possible avec les panneaux de silicium conventionnels. Ils sont également beaucoup plus respectueux de l’environnement à produire.

« Les cellules solaires organiques peuvent faire beaucoup de choses que les cellules solaires inorganiques ne peuvent pas faire, mais leur développement commercial s’est stabilisé ces dernières années, en partie à cause de leur efficacité inférieure », a déclaré le Dr Alexander Gillett du laboratoire Cavendish de Cambridge, premier auteur de l’article. . « Une cellule solaire typique à base de silicium peut atteindre des rendements allant jusqu’à 20 à 25 %, tandis que les cellules solaires organiques peuvent atteindre des rendements d’environ 19 % dans des conditions de laboratoire et des rendements réels d’environ 10 à 12 %.

Les cellules solaires organiques produisent de l’électricité en imitant vaguement le processus naturel de la photosynthèse dans les plantes, sauf qu’elles utilisent finalement l’énergie du soleil pour créer de l’électricité plutôt que de convertir le dioxyde de carbone et l’eau en glucose. Lorsqu’une particule lumineuse, ou photon, frappe une cellule solaire, un électron est excité par la lumière et laisse un « trou » dans la structure électronique du matériau. La combinaison de cet électron excité et de ce trou est connue sous le nom d’exciton. Si l’attraction mutuelle entre l’électron chargé négativement et le trou chargé positivement dans l’exciton, semblable à l’attraction entre les pôles positif et négatif d’un aimant, peut être surmontée, il est possible de récolter ces électrons et ces trous sous forme de courant électrique.

Cependant, les électrons des cellules solaires peuvent être perdus par un processus appelé recombinaison, où les électrons perdent leur énergie (ou état d’excitation) et retombent dans l’état de « trou » vide. Comme il y a une attraction plus forte entre l’électron et le trou dans les matériaux à base de carbone que dans le silicium, les cellules solaires organiques sont plus sujettes à la recombinaison, ce qui affecte à son tour leur efficacité. Cela nécessite l’utilisation de deux composants pour empêcher l’électron et le trou de se recombiner rapidement : un matériau « donneur » d’électrons et un matériau « accepteur » d’électrons.

En combinant spectroscopie et modélisation informatique, les chercheurs ont pu suivre les mécanismes à l’œuvre dans les cellules solaires organiques, de l’absorption des photons à la recombinaison. Ils ont découvert qu’un mécanisme de perte clé dans les cellules solaires organiques est causé par la recombinaison à un type particulier d’exciton, connu sous le nom d’exciton triplet.

Dans les cellules solaires organiques, les excitons triples présentent un problème difficile à surmonter, car il est énergétiquement favorable pour eux de se former à partir des électrons et des trous. Les chercheurs ont découvert qu’en créant de fortes interactions moléculaires entre les matériaux donneurs d’électrons et accepteurs d’électrons, il est possible de maintenir l’électron et le trou plus éloignés l’un de l’autre, empêchant ainsi la recombinaison en excitons triplés.

La modélisation informatique suggère qu’en ajustant les composants des cellules solaires organiques de cette manière, les échelles de temps de recombinaison vers ces états d’excitons triples pourraient être réduites d’un ordre de grandeur, permettant un fonctionnement plus efficace des cellules solaires.

« Le fait que nous puissions utiliser les interactions entre les composants d’une cellule solaire pour désactiver la voie de perte d’excitons triplet était vraiment surprenant », a déclaré Gillett. « Notre méthode montre comment vous pouvez manipuler des molécules pour empêcher la recombinaison de se produire. »

« Maintenant, les chimistes synthétiques peuvent concevoir la prochaine génération de matériaux donneurs et accepteurs avec de fortes interactions moléculaires pour supprimer cette voie de perte », a déclaré le co-auteur, le Dr Thuc-Quyen Nguyen de l’Université de Californie à Santa Barbara. « Le travail montre la voie à suivre pour atteindre une efficacité accrue des appareils. »

Les chercheurs affirment que leur méthode fournit une stratégie claire pour obtenir des cellules solaires organiques avec des rendements de 20 % ou plus en arrêtant la recombinaison en états d’excitons triplés. Dans le cadre de leur étude, les auteurs ont également pu fournir des règles de conception des matériaux donneurs et accepteurs d’électrons pour atteindre cet objectif. Ils pensent que ces lignes directrices permettront aux groupes de chimie de concevoir de nouveaux matériaux qui bloquent la recombinaison en excitons triplet, permettant de réaliser des cellules solaires organiques avec des efficacités plus proches du silicium.


Les matériaux hybrides pourraient briser le plafond de l’efficacité solaire


Plus d’information:
Le rôle de la recombinaison de charges sur les excitons triplets dans les cellules solaires organiques, La nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-03840-5, www.nature.com/articles/s41586-021-03840-5

Fourni par l’Université de Cambridge

Citation: Les chercheurs identifient et éliminent l’obstacle d’efficacité pour les cellules solaires organiques (2021, 29 septembre) récupéré le 29 septembre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-09-efficiency-hurdle-solar-cells.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.