Une nouvelle recherche fait progresser des cellules solaires organiques stables et abordables pour l’électricité renouvelable

Newswise — En raison des récentes améliorations de l’efficacité avec laquelle les cellules solaires fabriquées à partir de semi-conducteurs organiques (à base de carbone) peuvent convertir la lumière du soleil en électricité, l’amélioration de la stabilité à long terme de ces dispositifs photovoltaïques devient un sujet de plus en plus important. Les applications réelles de la technologie exigent que l’efficacité du dispositif photovoltaïque soit maintenue pendant de nombreuses années. Pour résoudre ce problème clé, les chercheurs ont étudié les mécanismes de dégradation des deux composants utilisés dans la couche absorbant la lumière des cellules solaires organiques : les matériaux « donneur d’électrons » et « accepteur d’électrons ». Ces deux composants sont nécessaires pour séparer la paire électron-trou liée formée après l’absorption d’un photon dans les électrons libres et les trous qui constituent le courant électrique.

Dans cette nouvelle étude publiée dans Joule, une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge, a pour la première fois étudié les voies de dégradation des matériaux donneurs et accepteurs d’électrons. L’étude détaillée du matériau donneur d’électrons distingue les travaux de recherche actuels des études précédentes et fournit de nouvelles informations importantes pour le domaine. Plus précisément, l’identification d’un processus de désactivation ultrarapide unique au matériau donneur d’électrons n’a pas été observée auparavant et fournit un nouvel angle pour considérer la dégradation des matériaux dans les cellules solaires organiques.

Pour comprendre comment ces matériaux se dégradaient, les chercheurs de Cavendish ont travaillé au sein d’une équipe internationale avec des scientifiques du Royaume-Uni, de Belgique et d’Italie. Ensemble, ils ont combiné des études de stabilité de dispositifs photovoltaïques, où la cellule solaire opérationnelle est soumise à une lumière intense qui correspond étroitement à la lumière du soleil, avec une spectroscopie laser ultrarapide réalisée à Cambridge. Grâce à cette technique laser, ils ont pu identifier un nouveau mécanisme de dégradation du matériau donneur d’électrons impliquant une torsion dans la chaîne polymère. Ainsi, lorsque le polymère torsadé absorbe un photon, il subit une voie de désactivation extrêmement rapide à l’échelle de la femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde). Ce processus indésirable est suffisamment rapide pour surpasser la génération d’électrons libres et de trous à partir d’un photon, que les scientifiques ont pu corréler avec l’efficacité réduite de la cellule solaire organique après qu’elle ait été exposée à la lumière du soleil simulée.

“Il était intéressant de découvrir que quelque chose d’aussi mineur que la torsion d’une chaîne polymère pouvait avoir un effet aussi important sur l’efficacité des cellules solaires”, a déclaré le Dr Alex Gillett, l’auteur principal de l’article. « À l’avenir, nous prévoyons de nous appuyer sur nos découvertes en collaborant avec des groupes de chimie pour concevoir de nouveaux matériaux donneurs d’électrons avec des squelettes polymères plus rigides. Nous espérons que cela réduira la propension du polymère à se tordre et améliorera ainsi la stabilité du dispositif de cellule solaire organique.

En raison de leurs propriétés uniques, les cellules solaires organiques peuvent être utilisées dans un large éventail d’applications pour lesquelles le photovoltaïque au silicium traditionnel ne convient pas. Cela pourrait inclure des fenêtres génératrices d’électricité pour les serres qui transmettent les couleurs de la lumière nécessaires à la photosynthèse, ou même des panneaux photovoltaïques qui pourraient être enroulés pour faciliter le transport et la production d’électricité mobile. Ainsi, en identifiant le mécanisme de dégradation à résoudre, les recherches actuelles rapprochent directement la prochaine génération de matériaux et d’applications photovoltaïques de la réalité.