Des chercheurs ont réalisé une avancée remarquable en matière d’efficacité de conversion de l’énergie (PCE) avec des cellules solaires organiques (OSC), atteignant un taux de 19,31 %. Cette percée dans l’efficacité a pour objectif d’améliorer l’application de ces dispositifs d’énergie solaire.
La PCE, mesure de l’énergie produite à partir d’une irradiation solaire donnée, est un jalon essentiel de la performance des photovoltaïques (PV) en matière de génération d’énergie. L’amélioration d’efficacité dépassant 19 % obtenue par les chercheurs de l’Université polytechnique de Hong Kong (PolyU) constitue un record pour les OSC binaires, qui disposent d’un donneur et d’un accepteur dans la couche photo-active.
L’équipe de recherche, dirigée par le professeur LI Gang, professeur titulaire en technologie de conversion d’énergie et professeur Sir Sze-Yen Chung en énergie renouvelable à PolyU, a mis au point une nouvelle technique de régulation de la morphologie des OSC, utilisant le 1,3,5-trichlorobenzène comme régulateur de cristallisation. Cette nouvelle technique améliore l’efficacité et la stabilité des OSC.
L’équipe a développé une stratégie de manipulation de l’état intermédiaire non-monotone (ISM) pour manipuler la morphologie des OSC. Cette stratégie optimise simultanément la dynamique de cristallisation et la perte d’énergie des OSC non-fullerènes. Résultat : une augmentation significative du PCE et une réduction de la perte non radiative indésirable.
L’étude, intitulée « Cellule solaire organique binaire de 19,3% et faible recombinaison non radiative permise par la transition d’état intermédiaire non monotone« , a été publiée dans Nature Communications.
Le Prof. Li a déclaré : « Les défis de la recherche provenaient des méthodes de contrôle de la morphologie basées sur des additifs existants, qui souffrent de perte par recombinaison non radiative, abaissant ainsi la tension en circuit ouvert due à une agrégation excessive« .
L’équipe de recherche a mis environ deux ans à mettre au point une stratégie ISM non monotone pour augmenter l’efficacité des OSC et réduire la perte par recombinaison non radiative.
Et d’ajouter : « La nouvelle découverte rendra la recherche sur les OSC un domaine passionnant, et cela créera probablement d’énormes opportunités dans des applications comme l’électronique portable et les PV intégrés aux bâtiments« .
La voie s’ouvrira lorsque les OSC monocouches à faible coût pourront atteindre une PCE de plus de 20%, avec une performance plus stable et d’autres avantages uniques tels que la flexibilité, la transparence, l’élasticité, le faible poids et la couleur ajustable.
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« La dernière étude montre une perte record par recombinaison non radiative de 0,168 eV dans une OSC binaire avec une PCE de plus de 19 %. C’est un résultat très encourageant pour les recherches de longue date que j’ai menées sur les OSC au cours des deux dernières décennies. Nous avons déjà obtenu une meilleure efficacité des OSC, et cela aidera par la suite à accélérer les applications de l’énergie solaire. » a-t-il conclu.
Les cellules solaires organiques (OSC)
Les cellules solaires organiques (OSC) sont une catégorie de cellules photovoltaïques qui utilisent des matériaux organiques pour absorber la lumière et convertir son énergie en électricité. Ces matériaux sont souvent des polymères ou des petites molécules organiques.
La structure typique d’une cellule solaire organique implique deux matériaux organiques: un donneur d’électrons (un polymère) et un accepteur d’électrons (souvent un fullerène). Lorsque la lumière frappe le donneur d’électrons, un électron est excité à un niveau d’énergie supérieur. L’accepteur d’électrons peut alors capturer cet électron, créant une différence de potentiel et générant un courant électrique.
Les OSC ont plusieurs avantages. Elles peuvent être flexibles et légères, et potentiellement moins coûteuses à produire que les cellules solaires à base de silicium. De plus, elles peuvent être produites en utilisant des techniques de dépôt en solution, ce qui peut permettre une production à grande échelle.
Cependant, les OSC ont aussi des défis à surmonter. Leur efficacité énergétique est généralement plus faible que celle des cellules solaires à base de silicium. De plus, leur durabilité peut être un problème, car les matériaux organiques peuvent se dégrader plus rapidement que les matériaux inorganiques, notamment en présence de lumière, de chaleur ou d’humidité.
En dépit de ces défis, beaucoup de recherche est en cours pour améliorer les performances des OSC, et elles ont le potentiel de jouer un rôle important dans l’avenir de l’énergie solaire.
Le professeur Li, reconnu comme chercheur hautement cité pendant 9 années consécutives depuis 2014, a apporté une influence durable au développement de l’énergie solaire imprimable reconnue à l’échelle mondiale grâce à ses contributions pionnières à la recherche sur les cellules solaires polymères depuis 2005.
Légende illustration : LI Gang, professeur titulaire de la chaire de technologie de conversion de l’énergie et titulaire de la chaire Sir Sze-Yen Chung sur les énergies renouvelables à l’université PolyU. © 2023 Research and Innovation Office, The Hong Kong Polytechnic University.
