Une équipe de recherche de l’Université technique de Munich a réalisé des progrès significatifs dans la technologie des cellules solaires organiques en incorporant des colorants organiques. Ces colorants facilitent le mouvement des excitons, essentiels à la conversion de l’énergie, améliorant ainsi l’efficacité des cellules solaires. Leurs travaux ouvrent de nouvelles possibilités pour les cellules solaires organiques et les diodes électroluminescentes, offrant ainsi un potentiel pour des solutions énergétiques plus durables.
Les colorants organiques accélèrent le transport de l’énergie solaire tamponnée.
Le soleil fournit de grandes quantités d’énergie à la Terre, mais les cellules solaires perdent toujours une partie de cette énergie. Cela constitue un obstacle à l’utilisation de cellules solaires organiques, en particulier pour celles qui sont viables dans des applications innovantes.
Un facteur crucial pour améliorer leur efficacité est l’amélioration du transport de l’énergie solaire accumulée dans le matériau. Une équipe de recherche de l’Université technique de Munich (TUM) vient de démontrer que certains colorants organiques peuvent contribuer à construire des autoroutes virtuelles pour l’énergie.
Les cellules solaires organiques sont des collecteurs d’énergie légers et extrêmement fins et, en tant que revêtement flexible, s’adaptent parfaitement à presque toutes les surfaces : Les cellules solaires à base de matières organiques semi-conducteurs ouvrent une gamme de possibilités d’application, par exemple comme panneaux solaires et films pouvant être enroulés, ou pour une utilisation sur des appareils intelligents.
Mais un inconvénient dans de nombreuses applications est le transport relativement médiocre de l’énergie collectée dans le matériau. Les chercheurs étudient les processus de transport élémentaires des cellules solaires organiques afin de trouver des moyens d’améliorer ce transport.
Lumière du soleil stimulante
L’un de ces chercheurs est Frank Ortmann, professeur de méthodes théoriques en spectroscopie à la TUM. Lui et ses collègues de Dresde se concentrent avant tout sur l’interaction mutuelle entre la lumière et la matière, en particulier sur le comportement de ce que l’on appelle les excitons.
Le professeur Frank Ortmann (à droite) et Maximilian Dorfner discutent de la manière dont des molécules spécifiques peuvent augmenter l’efficacité des cellules solaires organiques. Crédit : S. Reiffert / TUM
«Les excitons sont un peu comme le carburant du soleil, qui doit être utilisé de manière optimale», explique Ortmann, qui est également membre du pôle d’excellence «e-conversion». «Lorsque l’énergie lumineuse sous la forme d’un photon entre en collision avec le matériau d’une cellule solaire, il est absorbé et tamponné comme un état excité. Cet état intermédiaire est appelé exciton.
Ces charges ne peuvent pas être utilisées comme énergie électrique tant qu’elles n’ont pas atteint une interface spécialement conçue. Ortmann et son équipe ont maintenant montré que ce que l’on appelle des autoroutes de transport d’excitons peuvent être créées à l’aide de colorants organiques.
Colorants pour turbocompresseurs
La raison pour laquelle il est si important que les excitons atteignent cette interface le plus rapidement possible est liée à leur courte durée de vie. «Plus le transport est rapide et ciblé, plus le rendement énergétique est élevé, et donc plus l’efficacité de la cellule solaire est élevée», explique Ortmann.
Les molécules des colorants organiques, appelées mérocyanines quinoïdes, rendent cela possible grâce à leur structure chimique et leur excellente capacité à absorber la lumière visible. Ils peuvent donc également être utilisés comme couche active dans une cellule solaire organique, explique Ortmann.
Les paquets d’énergie sur la voie rapide
À l’aide de mesures spectroscopiques et de modèles, les chercheurs ont pu observer les excitons se déplaçant à travers les molécules de colorant. « La valeur de 1,33 électron-volt délivrée par notre conception est bien supérieure aux valeurs trouvées dans les semi-conducteurs organiques – on pourrait dire que les molécules de colorants organiques forment une sorte de super-autoroute », ajoute Ortmann.
Ces nouvelles découvertes fondamentales pourraient ouvrir la voie à un transport ciblé et plus efficace des excitons dans la matière organique solide, accélérant ainsi le développement de cellules solaires organiques et de diodes électroluminescentes organiques encore plus performantes.
