Cellules solaires : un bond spectaculaire de 100 fois la mobilité des électrons

Les cellules solaires organiques émergent comme une solution innovante dans le paysage photovoltaïque actuel. Les avancées scientifiques sur l’intégration d’isolants polymériques ont conduit à des améliorations significatives des performances. Une équipe internationale de chercheurs vient de réaliser une découverte majeure qui bouleverse la compréhension des interactions entre matériaux isolants et semi-conducteurs organiques.

Les isolants polymériques ont été largement étudiés pour leur capacité à réguler la conformation moléculaire et optimiser la cristallinité des films. Jusqu’à présent, les progrès observés étaient principalement attribués aux modifications morphologiques des films, considérées comme une conséquence directe de l’incorporation des matériaux isolants.

L’équipe du Professeur Hang Yin de l’Université de Shandong a mis en évidence un phénomène jusqu’alors inexploré : l’effet de couplage des fonctions d’onde électroniques entre l’isolant et le donneur. Les observations expérimentales ont révélé une augmentation spectaculaire de la mobilité des électrons, multipliée jusqu’à 100 fois dans plusieurs systèmes donneurs.

Les analyses théoriques approfondies ont démontré que les groupements riches en électrons du matériau isolant établissent un couplage spécifique avec l’unité D du polymère donneur. Le professeur Yin a précisé que «les résultats expérimentaux s’alignent parfaitement avec les modélisations théoriques». La barrière énergétique du transport électronique est significativement réduite, optimisant ainsi le déplacement des électrons le long des chaînes polymères.

La mise en application concrète de la découverte s’est matérialisée par le développement de cellules solaires organiques pseudo-bicouches PM6/L8-BO. Les dispositifs ont atteint un rendement de conversion énergétique sans précédent de 19,50% (certifié à 19,18%), établissant ainsi une nouvelle référence dans le domaine des cellules solaires organiques.

Les implications technologiques de cette découverte sont considérables. Le mécanisme de couplage quantique identifié offre de nouvelles possibilités pour l’optimisation des performances des dispositifs photovoltaïques organiques. Les chercheurs anticipent que cette approche pourrait être appliquée à d’autres types de semi-conducteurs organiques.

Le modèle de liaison étroite Su-Schrieffer-Heeger (SSH) étendu a été utilisé pour élucider avec précision le comportement du transport d’électrons dans le polymère donneur. Les évolutions temporelles des charges nettes sur chaque site ont montré qu’après l’application d’un champ électrique relativement faible, le transport effectif des porteurs de charge peut être réalisé dans le cas du couplage de l’unité D avec le PS. Le calcul de la position du centre de charge a spécifiquement révélé que la vitesse de transport moyenne pour le couplage de l’unité D avec le PS est nettement supérieure au cas sans couplage. Cela est cohérent avec les phénomènes observés dans l’expérience, à savoir que le couplage des donneurs de type D-A avec le PS est favorisé pour le transport des électrons. ©Science China Press

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la prestigieuse revue National Science Review. Jiangkai Sun, doctorant à l’Université de Shandong, Xue Yang, étudiant en master, et Ruijie Ma, chercheur postdoctoral à l’Université Polytechnique de Hong Kong, ont contribué en tant que premiers auteurs de l’article. La direction scientifique a été assurée conjointement par les Professeurs Hang Yin, Xiaotao Hao et Kun Gao de l’Université de Shandong, en collaboration avec le Professeur Gang Li de l’Université Polytechnique de Hong Kong.

Article : « Insulator-donor electron wavefunction coupling in pseudo-bilayer organic solar cells achieving a certificated efficiency of 19.18% » – DOI 10.1093/nsr/nwae385

Science China Press – Publication dans la revue National Science Review