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Illustration de la morphologie à l’échelle nanométrique dans PMHJ vs BHJ. L’image d’une cellule OPV de recherche du laboratoire avec son architecture. Les diagrammes schématiques montrent la différence entre le BHJ inter-mixte et le PMHJ plutôt démixé. Crédit : Jiang et al
Le photovoltaïque organique (OPV), des technologies solaires basées sur des semi-conducteurs organiques, s’est révélé très prometteur à la fois pour la fourniture évolutive d’énergie propre et pour le développement de l’électronique portable à énergie solaire. Malgré leurs avantages, les cellules solaires organiques souffrent de ce que l’on appelle la perte de recombinaison, une perte de photocourant résultant de la recombinaison des photoporteurs.
Des chercheurs de la City University de Hong Kong, de l’Université de Nanjing et d’autres universités du monde entier ont récemment proposé une nouvelle stratégie d’ingénierie de dispositifs qui pourrait aider à supprimer la perte de recombinaison dans les VPO. Cette stratégie, présentée dans un article publié dans Énergie naturelleimplique l’utilisation d’architectures à hétérojonction planaires mixtes (PMHJ) traitées séquentiellement.
“Les matériaux organiques ont une constante diélectrique inférieure à celle des semi-conducteurs inorganiques tels que le silicium. Ainsi, des paires électron-trou liées appelées” excitons “sont générées dans les matières organiques lors de l’éclairage au lieu de porteurs de charge libres facilement séparés”, a déclaré le Dr Francis Lin et le professeur Alex. Jen, deux des chercheurs qui ont mené l’étude, a déclaré à TechXplore.
“Pour surmonter ce problème, les ingénieurs adoptent souvent deux matériaux organiques avec des affinités électroniques intrinsèquement différentes pour créer un réseau donneur/accepteur à l’échelle nanométrique dans la couche active OPV. Les excitons photogénérés peuvent ensuite migrer vers les interfaces donneur/accepteur pour former des états de transfert de charge et se dissocier. en électrons libres et en trous.”
Des études ont montré que l’utilisation de deux matériaux organiques avec des affinités électroniques intrinsèquement différentes profite à la dissociation des excitons, mais ne résout pas complètement les problèmes associés aux cellules solaires organiques. En effet, si les porteurs de charge libres ne sont pas collectés efficacement par les électrodes et se retrouvent aux interfaces donneur/accepteur, ils peuvent se recombiner et former un exciton triplet de spin dit de basse énergie (T1). Ce processus irréversible fixe une limite à l’efficacité maximale de conversion de puissance (PCE) réalisable des OPV.
“Les chercheurs dans le domaine ont trouvé différentes façons d’aborder le T1– problème de pertes liées, cependant, ils sont généralement d’un point de vue matériel qui crée de nouveaux problèmes lorsque les propriétés des matériaux sont modifiées », ont expliqué Lin et Jen. « Dans notre travail, nous établissons une nouvelle stratégie qui peut aider à résoudre ce problème en modifiant le ingénierie de base des architectures de couche active OPV.”
Dans leurs travaux précédents, les chercheurs ont montré que le transport des excitons et des porteurs de charge dans les cellules OPV traitées séquentiellement peut être considérablement amélioré et avec lui leurs performances. Par la suite, ils ont créé les cellules solaires à base de D18, un nouveau matériau donneur avec une longueur de diffusion d’excitons plus longue (> 30 nm) que la plupart des matériaux rapportés (15-25 nm).
“Nous avons observé que le photocourant des cellules à hétérojonction planar-mixed (PMHJ) traitées séquentiellement est systématiquement plus élevé que les cellules traditionnelles à hétérojonction en vrac (BHJ) traitées en une étape “, ont expliqué Lin et Jen. “Nous avons en outre identifié que le PMHJ traité séquentiellement peut réduire T1 concentration et atténuer les pertes de recombinaison associées dans les VPO. »
Une figure montrant deux spinners reflétés par un panneau OPV. L’un des spinners ressemble à un triplet et consomme des porteurs de chargeur, tandis que l’autre génère des porteurs de changement en tournant dans le sens opposé (singulet). Crédit : Jiang et al
Dans leur nouvel article, les chercheurs ont entrepris d’identifier les stratégies d’ingénierie des dispositifs, les matériaux et les protocoles de traitement qui pourraient encore améliorer l’efficacité des VPO. Plus précisément, ils ont introduit différentes morphologies à l’échelle nanométrique dans la couche active des cellules solaires organiques, en utilisant une architecture PMHJ traitée séquentiellement au lieu de l’architecture BHJ traditionnelle traitée en une seule étape.
“Nous utilisons des matériaux de pointe avec des longueurs de diffusion d’excitons plus longues pour fabriquer des films PMHJ, dans lesquels le donneur et l’accepteur présentent une taille de domaine plus grande et une séparation de phase plus distincte que dans BHJ”, ont expliqué Lin et Jen.
“Par conséquent, notre approche peut toujours garantir une dissociation efficace des excitons alors que nous avons moins d’interfaces donneur: accepteur dans PMHJ par rapport à BHJ pour permettre moins de chances pour les porteurs libres de se recombiner à ces interfaces. En bref, nous limitons les chances pour les électrons et les trous séparés de se retrouvent dans les OPV grâce à des interfaces donneur:accepteur réduites, donc plus de possibilités pour eux d’être collectés par des électrodes pour générer de l’électricité.”
Les chercheurs ont utilisé leur conception pour créer une série de cellules solaires organiques traitées en solution, puis ont évalué leurs performances dans une série d’expériences. Ils ont découvert que leurs cellules solaires PMHJ atteignaient des rendements de conversion de puissance élevés de 18 à 19 %, dépassant ceux des architectures à hétérojonction en vrac, qui présentent généralement des rendements inférieurs à 17 %.
“Notre découverte peut changer la perception des gens sur les interfaces donneur:accepteur dans les VPO”, ont déclaré Lin et Jen. “Ces interfaces donneur: accepteur sont fondamentalement nécessaires pour les OPV, cependant, avoir trop de ces interfaces pourrait nuire aux performances cellulaires. .”
Cette équipe de chercheurs a été la première à démontrer que le T1 la concentration dans des dispositifs composés de matériaux identiques peut être simplement modifiée grâce à une stratégie d’ingénierie des dispositifs. À l’avenir, leurs travaux pourraient aider à maximiser le photocourant dans les OPV sans nuire à leur photovoltage, en surmontant potentiellement le compromis notoire entre le photovoltage et le photovoltage dans les OPV.
“Nous sommes impatients de voir bientôt les produits OPV sur le marché des consommables, et de nous développer plus tard à plus grande échelle avec le déploiement du photovoltaïque intégré au bâtiment”, ont déclaré Lin et Jen.
De plus, les résultats recueillis par Lin, Jen et leurs collègues suggèrent que le T1 caractère dans les matériaux organiques n’est pas directement lié au photovoltage OPV. Leurs observations pourraient donc également inspirer d’autres études sur le rôle et les processus photophysiques de T1 dans les OPV, ce qui pourrait aider à la découverte de semi-conducteurs organiques mieux adaptés aux cellules solaires.
“Nous avons atteint une efficacité assez élevée dans les VPO jusqu’à présent”, ont ajouté Lin et Jen. « Dans une prochaine étape, nous devrions améliorer la stabilité des OPV et augmenter la taille des matériaux et des dispositifs. Les tailles de domaine plus importantes et l’échelle de séparation de phases dans nos cellules PMHJ peuvent intrinsèquement interdire la diffusion de molécules sous contrainte thermique et illumination. De plus, le traitement séquentiel offre plus de place pour optimiser les protocoles de fabrication de dispositifs de grande surface à l’aide de techniques d’impression. »
Kui Jiang et al, Perte de recombinaison supprimée dans le photovoltaïque organique adoptant une architecture planaire à hétérojonction mixte, Énergie naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41560-022-01138-y
Kui Jiang et al, L’architecture pseudo-bicouche permet des cellules solaires organiques hautes performances avec une longueur de diffusion d’excitons améliorée, Communication Nature (2021). DOI : 10.1038/s41467-020-20791-z
© 2022 Réseau Science X
Citation: Une stratégie pour maximiser le photocourant dans le photovoltaïque organique en supprimant la perte de recombinaison (12 décembre 2022) récupéré le 12 décembre 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-12-strategy-maximize-photocurrent-photovoltaics-suppressing.html
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