Un matériau prometteur pour l’énergie solaire est curieusement stimulé par l’entropie

L’énergie solaire joue un rôle crucial dans l’avenir des énergies propres. Traditionnellement, l’énergie solaire est captée à l’aide du silicium, le même matériau semi-conducteur utilisé dans les appareils électroniques du quotidien. Cependant, les panneaux solaires en silicium présentent des inconvénients : ils sont coûteux et difficiles à installer sur des surfaces courbes.

Des chercheurs ont mis au point des matériaux alternatifs pour la récolte de l’énergie solaire afin de résoudre ces problèmes. Parmi les plus prometteurs figurent les semi-conducteurs dits «organiques», des semi-conducteurs à base de carbone, abondants sur Terre, moins chers et respectueux de l’environnement.

« Ils peuvent potentiellement réduire le coût de production des panneaux solaires car ces matériaux peuvent être enduits sur des surfaces arbitraires en utilisant des méthodes à base de solution, tout comme on peint un mur », a précisé Wai-Lun Chan, professeur associé de physique et d’astronomie à l’Université du Kansas.

« Ces matériaux organiques peuvent être ajustés pour absorber la lumière à des longueurs d’onde sélectionnées, ce qui peut être utilisé pour créer des panneaux solaires transparents ou des panneaux de différentes couleurs. Ces caractéristiques rendent les panneaux solaires organiques particulièrement adaptés à une utilisation dans les bâtiments verts et durables de nouvelle génération. »

Les défis des cellules solaires organiques

Bien que les semi-conducteurs organiques aient déjà été utilisés dans les écrans d’appareils électroniques grand public tels que les téléphones portables, les téléviseurs et les casques de réalité virtuelle, ils n’ont pas encore été largement utilisés dans les panneaux solaires commerciaux. Une des faiblesses des cellules solaires organiques réside dans leur faible efficacité de conversion de la lumière en électricité, environ 12 % contre 25 % pour les cellules solaires en silicium monocristallin.

Selon Wai-Lun Chan, les électrons dans les semi-conducteurs organiques se lient généralement à leurs homologues positifs appelés «trous». De cette manière, la lumière absorbée par les semi-conducteurs organiques produit souvent des quasi-particules électriquement neutres connues sous le nom d' »excitons« .

Les acceptateurs non-fullerènes (NFA)

Le développement récent d’une nouvelle classe de semi-conducteurs organiques appelés acceptateurs non-fullerènes (NFA) a changé ce paradigme. Les cellules solaires organiques fabriquées avec des NFA peuvent atteindre une efficacité proche de 20 %.

Malgré leurs performances exceptionnelles, il est resté incertain pour la communauté scientifique pourquoi cette nouvelle classe de NFA surpasse significativement les autres semi-conducteurs organiques.

Dans une étude publiée dans Advanced Materials, Chan et son équipe du département de physique et d’astronomie, en collaboration avec Cindy Berrie, professeur de chimie à l’Université du Kansas, ont découvert un mécanisme microscopique qui explique en partie les performances exceptionnelles obtenues par un NFA.

La clé de cette découverte réside dans les mesures prises par l’auteur principal Rijal en utilisant une technique expérimentale appelée «spectroscopie de photoémission à deux photons résolue dans le temps» ou TR-TPPE. Cette méthode a permis à l’équipe de suivre l’énergie des électrons excités avec une résolution temporelle sub-picoseconde (moins d’un trillionième de seconde).

Un processus contre-intuitif

« Dans ces mesures, Kushal [Rijal] a observé que certains des électrons optiquement excités dans le NFA peuvent gagner de l’énergie de l’environnement au lieu de perdre de l’énergie à l’environnement », a ajouté Wai-Lun Chan. « Cette observation est contre-intuitive car les électrons excités perdent généralement leur énergie à l’environnement, comme une tasse de café chaud perd sa chaleur à l’environnement. »

L’équipe, dont le travail a été soutenu par le Bureau des sciences fondamentales du Département de l’énergie, pense que ce processus inhabituel se produit à l’échelle microscopique grâce au comportement quantique des électrons, qui permet à un électron excité d’apparaître simultanément sur plusieurs molécules. Cette étrangeté quantique s’associe à la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que chaque processus physique entraînera une augmentation de l’entropie totale (souvent appelée «désordre») pour produire le processus inhabituel de gain d’énergie.

Implications pour l’avenir des cellules solaires organiques

« Dans la plupart des cas, un objet chaud transfère sa chaleur à son environnement froid car le transfert de chaleur entraîne une augmentation de l’entropie totale », a expliqué Kushal Rijal. « Mais nous avons découvert que pour les molécules organiques arrangées dans une structure nanométrique spécifique, la direction typique du flux de chaleur est inversée pour que l’entropie totale augmente. Ce flux de chaleur inversé permet aux excitons neutres de gagner de la chaleur de l’environnement et de se dissocier en une paire de charges positive et négative. Ces charges libres peuvent à leur tour produire un courant électrique. »

Sur la base de leurs découvertes expérimentales, l’équipe propose que ce mécanisme de séparation des charges entraîné par l’entropie permet aux cellules solaires organiques fabriquées avec des NFA d’atteindre une bien meilleure efficacité.

« Comprendre le mécanisme sous-jacent de séparation des charges permettra aux chercheurs de concevoir de nouvelles nanostructures pour tirer parti de l’entropie afin de diriger le flux de chaleur, ou d’énergie, à l’échelle nanométrique », a conclu Kushal Rijal. « Bien que l’entropie soit un concept bien connu en physique et en chimie, elle a rarement été activement utilisée pour améliorer les performances des dispositifs de conversion d’énergie. »

Légende illustration : Kushal Rijal (à droite) et Neno Fuller (à gauche) ont effectué la mesure TR-TPPE à l’aide du système de spectroscopie de photoémission sous ultravide illustré sur la photo.

Article : « Endothermic Charge Separation Occurs Spontaneously in Non-Fullerene Acceptor/Polymer Bulk Heterojunction » – DOI: 10.1002/adma.202400578