Les chercheurs ont amélioré l’efficacité des cellules solaires organiques ternaires en introduisant un composant « invité ». Cette modification permet une meilleure absorption de la lumière solaire et un fonctionnement optimisé des cellules solaires. Grâce au placement stratégique et à la modification de ce composant invité, ils ont réalisé des gains d’efficacité de conversion d’énergie de plus de 19 pour cent.
Les scientifiques ont récemment peaufiné le matériau des cellules solaires organiques ternaires (TOSC) et atteint des efficacités comparables à celles de leurs cousines à cellules solaires conventionnelles.
Les résultats ont été publiés récemment dans la revue Matériaux avancés. L’étude a été menée par des chercheurs de l’Institut de Qingdao de technologie de bioénergie et de bioprocédés (QIBEBT) de l’Académie chinoise des sciences (CAS).
Cellules solaires organiques ou inorganiques
Les cellules solaires photovoltaïques organiques (OSC) sont un type de cellules solaires qui utilisent des matériaux organiques, généralement composés de petites molécules ou de polymères, pour convertir la lumière du soleil en électricité, distinctes des cellules solaires inorganiques traditionnelles, qui utilisent du silicium cristallin ou d’autres matériaux inorganiques.
L’un des principaux avantages des OSC est leur flexibilité et leur légèreté. Ils peuvent être fabriqués à moindre coût en rouleaux flexibles plutôt qu’en panneaux rigides, en utilisant des processus basés sur des solutions, comme l’impression à jet d’encre, ce qui les rend adaptés à diverses applications telles que les capteurs, les chargeurs portables ou les appareils électroniques portables. Les OSC peuvent également être conçus pour être semi-transparents ou dans différentes couleurs, permettant des intégrations esthétiques dans les bâtiments, les fenêtres ou d’autres structures.
Cependant, les OSC ont des rendements de conversion de puissance (PCE) inférieurs à ceux des cellules solaires inorganiques. Les TOSC ont modifié la situation dans une certaine mesure. Contrairement aux cellules solaires organiques binaires traditionnelles, constituées d’un matériau donneur et d’un matériau accepteur, les TOSC incluent un troisième composant supplémentaire, souvent appelé « invité ». Ce composant invité est introduit pour optimiser divers aspects du fonctionnement de la cellule solaire, depuis l’ajustement des flux d’énergie internes de la cellule jusqu’à l’amélioration de la façon dont la cellule convertit la lumière en énergie.
Illustration des agrégations d’alliages hôte/invité intégrés dans la couche active à composants ternaires. Crédit : LI Yonghai
Rôle de la composante « Invité »
Particulièrement intéressant pour les gains PCE, le composant invité peut également élargir le spectre de la lumière pouvant être absorbée. En sélectionnant un matériau invité qui absorbe la lumière dans une plage non couverte par le donneur ou l’accepteur, l’absorption globale de la lumière solaire par la cellule peut être augmentée. Parallèlement, la morphologie du film de mélange, où se déroulent la dissociation des excitons, la génération de charges et le transport, peut être bien ajustée.
Compte tenu des nombreuses fonctions différentes que le composant invité peut jouer, son emplacement spécifique dans le « sandwich » ou la matrice de la cellule solaire peut radicalement modifier les performances. « En fonction de son emplacement, le composant invité peut soit transférer de l’énergie à la vitesse de l’éclair, soit aider à capter davantage de lumière solaire », a déclaré LI Yonghai, co-auteur de l’étude.
Il existe trois possibilités de localisation différentes : intégré dans le matériau donneur, intégré dans le matériau accepteur, ou dispersé d’une manière ou d’une autre entre l’interface du donneur et de l’accepteur, formant un mélange, alliage-structures de type (agrégations). Mais jusqu’à présent, très peu d’attention a été accordée à l’emplacement des composants invités.
Détails et résultats de l’expérience
Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé un composant invité appelé LA1 (qui diffère des autres matériaux de composants invités en ce qui concerne leur cristallinité) dans le TOSC. LA1 est un accepteur de petites molécules que les chercheurs ont modifié avec des chaînes latérales phénylalkyle, un groupe fonctionnel (des collections d’atomes au sein de molécules qui ont leur propre ensemble de propriétés) couramment utilisé dans la conception de matériaux organiques destinés aux appareils photovoltaïques. Le LA1 a été modifié avec la chaîne latérale phénylalkyle pour améliorer sa cristallinité et son alignement tout en maintenant une compatibilité satisfaisante, améliorant ainsi ses performances dans le TOSC.
En outre, les chercheurs ont régulé la distribution de leur composant invité en jouant avec diverses conditions qui régissent l’interaction avec les composants hôtes, notamment la compatibilité hôte/invité, l’énergie de surface, la cinétique cristalline et les interactions intermoléculaires. Ce faisant, ils ont découvert des agrégations de type alliage au sein de la plupart des molécules invitées, qui ont également pénétré et se sont dispersées dans les molécules hôtes.
De manière impressionnante, la taille cristalline de ces « alliages » hôte/invité intégrés peut être facilement ajustée pour améliorer le transport de charge électrique et supprimer la recombinaison de charge. En conséquence, les chercheurs ont pu initialement réaliser des gains de PCE de plus de 15 pour cent, puis en combinant leur composant invité avec la famille d’accepteurs Y6 comme composant hôte, ils ont obtenu des gains d’efficacité encore plus importants, de plus de 19 pour cent.
Les chercheurs estiment avoir obtenu un succès expérimental considérable, mais les forces motrices de ces gains restent moins bien comprises théoriquement. À l’avenir, les chercheurs espèrent mieux clarifier ces mécanismes sous-jacents.
