Un additif pourrait renforcer les cellules solaires organiques

Adam Smeltz

L’énergie solaire continue de croître représentant la plupart des nouvelles capacités ajoutées aux réseaux électriques américains en 2024 — mais la technologie du milieu des années 1950, la plus utilisée pour capter l’énergie du soleil, a un coût environnemental.

La fabrication de panneaux solaires en silicium est un processus énergivore qui nécessite des produits chimiques toxiques et pose des défis pour le recyclage. Mais les cellules solaires organiques, à plus faible impact et fabriquées avec des matériaux moins nocifs, peuvent se dégrader trop facilement pour un déploiement à grande échelle. Selon des chercheurs de Penn State, l’ajout d’un produit chimique dérivé de l’hydrogène et du carbone pourrait aider les cellules solaires organiques à devenir une alternative plus viable. L’équipe a publié ses découvertes dans la revue ACS Materials Au.

Dirigée par le professeur adjoint Nutifafa Doumon et le doctorant Souk Yoon « John » Kim du Département de science et génie des matériaux , la recherche se concentre sur l’additif solide 9,10-phénanthrènequinone (PQ). Les chercheurs affirment que leurs travaux montrent que ce dérivé d’hydrocarbure offre des possibilités écologiques pour stabiliser et renforcer les cellules solaires organiques.

Également connue sous le nom de photovoltaïque organique, cette technologie à base d’hydrocarbures peut voir sa capacité à convertir l’énergie solaire en électricité se dégrader rapidement.

« PQ est également peu coûteux, disponible commercialement, plus sûr et plus simple que de nombreux additifs existants introduits dans le processus de fabrication », explique Kim, qui est conseillé par Doumon. « Une meilleure stabilité est indispensable pour que les cellules solaires organiques deviennent une option plus compétitive sur le marché commercial. »

L’incorporation de PQ « peut offrir une voie pratique vers un photovoltaïque alternatif durable, évolutif et durable », ajoute-t-il. « C’est John qui a d’abord pensé à utiliser PQ comme option non volatile pour améliorer la stabilité des cellules solaires organiques — et éviter l’additif toxique couramment utilisé », révèle Nutifafa Doumon. « PQ est disponible commercialement, écologique, tolérant à la chaleur et il empêche la dégradation rapide des cellules solaires organiques. »

Pour leur article, les chercheurs ont fabriqué des cellules organiques aux structures variées, avec différents additifs, dans le laboratoire de Doumon à University Park . Ils ont testé la longévité, la résilience et l’efficacité des cellules sous une gamme de températures et d’autres conditions environnementales, en évaluant leur capacité à convertir l’énergie lumineuse au fil du temps.

Parmi leurs découvertes, les chercheurs ont constaté que PQ améliorait l’efficacité des cellules c’est-à-dire la part de l’énergie lumineuse convertie en électricité en plus de leur longévité. Ils ont incorporé les additifs dans ce qu’on appelle la couche active de la cellule, qui absorbe le rayonnement solaire.

Les résultats de l’étude soulignent la fiabilité potentielle et la promesse commerciale des cellules solaires organiques alors que l’industrie énergétique cherche à compléter les cellules au silicium par des alternatives basées sur les besoins, selon l’équipe. PQ a permis aux dispositifs à cellules solaires organiques de conserver plus de 93 % de leur efficacité de conversion d’origine sous une chaleur soutenue pendant 180 heures. Cela se compare à une rétention de 76 % pour les dispositifs utilisant un additif toxique couramment utilisé après les 180 heures d’utilisation.

Même des améliorations modérées de la stabilité réduisent considérablement la fréquence de remplacement des cellules solaires organiques, les déchets et les coûts d’exploitation, expliquent les chercheurs. Les cellules organiques ont tendance à être plus flexibles, plus légères et moins chères à produire que leurs homologues en silicium — mais avec des durées de vie plus courtes de plusieurs années.

« Nous ne prétendons pas que PQ résout tous les problèmes », tempère le Professeur adjoint Doumon. « Nos résultats sont un pas en avant. Nous examinons d’autres additifs solides pour des études plus poussées, pour voir où se situe PQ dans un spectre plus large d’options. »

Source : PSU