Des physiciens de l’Université de Paderborn ont considérablement amélioré l’efficacité des cellules solaires en utilisant du tétracène, un matériau organique, sur la base de simulations informatiques complexes. Ils ont découvert que les défauts à l’interface tétracène-silicium stimulent le transfert d’énergie, promettant une nouvelle conception de cellule solaire aux performances considérablement améliorées.
Les physiciens de l’Université de Paderborn ont utilisé des simulations informatiques complexes pour créer une nouvelle conception de cellule solaire offrant une efficacité nettement supérieure à celle des options existantes. L’amélioration des performances est attribuée à une fine couche d’un composé organique appelé tétracène. Les résultats ont récemment été publiés dans la célèbre revue Lettres d’examen physique.
« L’énergie annuelle du rayonnement solaire sur Terre s’élève à plus de mille milliards de kilowattheures et dépasse ainsi la demande énergétique mondiale de plus de 5 000 fois. Le photovoltaïque, c’est-à-dire la production d’électricité à partir de la lumière du soleil, offre donc un potentiel important et encore largement inexploité pour la fourniture d’énergie propre et renouvelable. Les cellules solaires au silicium utilisées à cet effet dominent actuellement le marché, mais présentent des limites d’efficacité », explique le professeur Wolf Gero Schmidt, physicien et doyen de la Faculté des sciences naturelles de l’Université de Paderborn. Cela s’explique notamment par le fait qu’une partie de l’énergie provenant du rayonnement à ondes courtes n’est pas convertie en électricité, mais en chaleur indésirable.
(De gauche à droite) Les auteurs Prof Dr Uwe Gerstmann, Dr Marvin Krenz et Prof Dr Wolf Gero Schmidt avec leur affiche sur le transport d’énergie dans la cellule solaire. Crédit : Université de Paderborn, Besim Mazhiqi
Schmidt explique : « Afin d’augmenter l’efficacité, la cellule solaire en silicium peut être dotée d’une couche organique, par exemple constituée de tétracène semi-conducteur. La lumière à ondes courtes est absorbée dans cette couche et convertie en excitations électroniques à haute énergie, appelées excitons. Ces excitons se désintègrent dans le tétracène en deux excitations de faible énergie. Si ces excitations peuvent être transférées avec succès à la cellule solaire au silicium, elles peuvent être efficacement converties en électricité et augmenter le rendement global de l’énergie utilisable.
Percée décisive pour un transfert d’énergie rapide
Le transfert d’excitation du tétracène dans le silicium est étudié par l’équipe de Schmidt à l’aide de simulations informatiques complexes au Centre de calcul parallèle de Paderborn (PC2), le centre de calcul haute performance de l’université. Une avancée décisive a été réalisée : dans une étude conjointe avec le Dr Marvin Krenz et le Prof. Dr Uwe Gerstmann, tous deux également de l’Université de Paderborn, les scientifiques ont montré que des défauts particuliers sous forme de liaisons chimiques insaturées à l’interface entre le le film de tétracène et la cellule solaire accélèrent considérablement le transfert d’excitons. Schmidt : « De tels défauts se produisent lors de la désorption de l’hydrogène et provoquent des états d’interface électronique avec une énergie fluctuante. Ces fluctuations transportent les excitations électroniques du tétracène vers le silicium comme un ascenseur.
De tels « défauts » dans les cellules solaires sont en réalité associés à des pertes d’énergie. Cela rend les résultats du trio de physiciens d’autant plus étonnants : « Dans le cas de l’interface silicium-tétracène, les défauts sont essentiels pour un transfert d’énergie rapide. Les résultats de nos simulations informatiques sont vraiment surprenants. Ils fournissent également des indications précises pour la conception d’un nouveau type de cellule solaire au rendement nettement accru », précise le physicien.
