Des chercheurs ont amélioré la récupération de l'énergie solaire en développant des semi-conducteurs organiques qui offrent une alternative moins chère et plus adaptable au silicium. Une récente découverte révèle que ces matériaux peuvent atteindre des rendements plus élevés grâce à un mécanisme unique par lequel les électrons gagnent de l'énergie, ouvrant la voie à des cellules solaires et à des technologies de production de carburant plus efficaces.
De nouvelles recherches expliquent en partie les performances exceptionnelles d’une nouvelle classe de semi-conducteurs organiques appelés accepteurs non fullerènes (NFA).
L’énergie solaire joue un rôle essentiel dans la transition vers un avenir énergétique propre. En général, le silicium, un semi-conducteur couramment utilisé dans les appareils électroniques de tous les jours, est utilisé pour récupérer l’énergie solaire. Cependant, les panneaux solaires en silicium présentent des limites : ils sont coûteux et difficiles à installer sur des surfaces courbes.
Pour remédier à ces lacunes, les chercheurs ont développé des matériaux alternatifs pour la récupération de l’énergie solaire. Parmi les plus prometteurs, on trouve les matériaux dits « organiques ». semi-conducteursdes semi-conducteurs à base de carbone qui sont abondants sur Terre, moins chers et respectueux de l’environnement.
« Ils peuvent potentiellement réduire le coût de production des panneaux solaires, car ces matériaux peuvent être appliqués sur des surfaces arbitraires à l’aide de méthodes basées sur des solutions, tout comme nous peignons un mur », a déclaré Wai-Lun Chan, professeur associé de physique et d’astronomie à l’Université du Kansas. « Ces matériaux organiques peuvent être réglés pour absorber la lumière à des longueurs d’onde sélectionnées, qui peuvent être utilisées pour créer des panneaux solaires transparents ou des panneaux de différentes couleurs. Ces caractéristiques rendent les panneaux solaires organiques particulièrement adaptés à une utilisation dans les bâtiments écologiques et durables de nouvelle génération. »
Les semi-conducteurs organiques sont déjà utilisés dans les écrans d'affichage des appareils électroniques grand public tels que les téléphones portables, les téléviseurs et les casques de réalité virtuelle, mais ils ne sont pas encore largement utilisés dans les panneaux solaires commerciaux. L'un des défauts des cellules solaires organiques est leur faible rendement de conversion de la lumière en électricité, environ 12 % par rapport aux cellules solaires en silicium monocristallin qui ont un rendement de 25 %.
Selon Chan, les électrons des semi-conducteurs organiques se lient généralement à leurs homologues positifs appelés « trous ». De cette façon, la lumière absorbée par les semi-conducteurs organiques produit souvent des quasiparticules électriquement neutres appelées « excitons ».
Découverte des accepteurs non fullerènes
Mais le développement récent d’une nouvelle classe de semi-conducteurs organiques, les accepteurs non fullerènes (NFA), a changé la donne. Les cellules solaires organiques fabriquées avec des NFA peuvent atteindre un rendement proche de 20 %.
Malgré leurs performances exceptionnelles, la communauté scientifique ne comprend toujours pas pourquoi cette nouvelle classe de NFA surpasse significativement les autres semi-conducteurs organiques.
Dans une étude révolutionnaire publiée dans Matériaux avancésChan et son équipe, dont les étudiants diplômés Kushal Rijal (auteur principal), Neno Fuller et Fatimah Rudayni du département de physique et d'astronomie, et en collaboration avec Cindy Berrie, professeur de chimie à KU, ont découvert un mécanisme microscopique qui résout en partie les performances exceptionnelles obtenues par un NFA.
L'auteur principal Kushal Rijal (à droite) et Neno Fuller (à gauche) ont effectué la mesure TR-TPPE à l'aide du système de spectroscopie photo-émission à vide ultra-élevé présenté sur la photo. Crédit : Kushal et Fuller
La clé de cette découverte réside dans les mesures prises par l'auteur principal Rijal à l'aide d'une technique expérimentale baptisée « deux temps résolus ». photon spectroscopie de photoémission » ou TR-TPPE. Cette méthode a permis à l’équipe de suivre l’énergie des électrons excités avec une résolution temporelle inférieure à la picoseconde (moins d’un milliardième de seconde).
« Dans ces mesures, Kushal (Rijal) a observé que certains des électrons optiquement excités dans l’AFN peuvent gagner de l’énergie de l’environnement au lieu de perdre de l’énergie dans l’environnement », a déclaré Chan. « Cette observation est contre-intuitive car les électrons excités perdent généralement leur énergie dans l’environnement comme une tasse de café chaud perd sa chaleur dans l’environnement. »
L'équipe, dont les travaux ont été soutenus par le Bureau des sciences énergétiques fondamentales du ministère de l'Énergie, estime que ce processus inhabituel se produit à l'échelle microscopique grâce au comportement quantique des électrons, qui permet à un électron excité d'apparaître simultanément sur plusieurs molécules. Cette étrangeté quantique est conforme à la deuxième loi de la thermodynamique, selon laquelle tout processus physique conduit à une augmentation de l'entropie totale (souvent appelée « désordre ») pour produire ce processus inhabituel de gain d'énergie.
« Dans la plupart des cas, un objet chaud transfère de la chaleur à son environnement froid, car le transfert de chaleur entraîne une augmentation de l’entropie totale », a déclaré Rijal. « Mais nous avons découvert que pour les molécules organiques disposées de manière spécifique, échelle nanométrique « Dans la structure de l’atome, la direction typique du flux de chaleur est inversée pour que l’entropie totale augmente. Ce flux de chaleur inversé permet aux excitons neutres de gagner de la chaleur de l’environnement et de se dissocier en une paire de charges positives et négatives. Ces charges libres peuvent à leur tour produire du courant électrique. »
Conséquences pour les solutions énergétiques futures
Sur la base de leurs résultats expérimentaux, l’équipe suggère que ce mécanisme de séparation de charge piloté par l’entropie permet aux cellules solaires organiques fabriquées avec des NFA d’atteindre une efficacité bien meilleure.
« La compréhension du mécanisme sous-jacent de séparation des charges permettra aux chercheurs de concevoir de nouvelles nanostructures qui exploiteront l’entropie pour diriger le flux de chaleur, ou d’énergie, à l’échelle nanométrique », a déclaré Rijal. « Bien que l’entropie soit un concept bien connu en physique et en chimie, elle a rarement été utilisée activement pour améliorer les performances des dispositifs de conversion d’énergie. »
De plus, l’équipe de KU estime que le mécanisme découvert dans ce travail peut être utilisé pour produire des cellules solaires plus efficaces, mais elle pense également qu’il peut aider les chercheurs à concevoir des photocatalyseurs plus efficaces pour la production de carburant solaire, un processus photochimique utilisant la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone en carburants organiques.
