Un rendement solaire plus élevé, un effort énergétique moindre

Les toits scintillants recouverts de panneaux solaires des bâtiments résidentiels, commerciaux et industriels pourraient bientôt faire peau neuve grâce à la cellule solaire organique (CSO) à base de carbone. La finesse et la flexibilité expliquent en partie pourquoi les OSC pourraient constituer une meilleure alternative aux cellules traditionnelles à base de silicium.

Mais toutes les cellules solaires organiques ne sont pas égales. On a découvert que celles qui sont basées sur des récepteurs non fullerènes, ou NFA, génèrent efficacement de l’électricité, même avec un décalage relativement faible de 0,1 eV. Par rapport aux types conventionnels à base de fullerène, les OSC à base de NFA atteignent une efficacité de conversion de puissance nettement supérieure.

« Nous nous sommes alors demandé comment cela était possible et quels matériaux nous devions développer pour obtenir un faible décalage« , explique Yasunari Tamai, de l’Université de Kyoto, dont l’équipe a fait cette découverte.

Traditionnellement, la combinaison de polymères de type p et de dérivés de fullerènes de type n est le meilleur choix de semi-conducteurs utilisés dans les OSC, également appelés photovoltaïques organiques ou OPV. Une différence entre les niveaux d’énergie, ou décalage, de plus de 0,3 eV est généralement considérée comme nécessaire à la conversion photovoltaïque. Ces polymères conventionnels peuvent fournir jusqu’à 10-11% d’efficacité de conversion d’énergie.

Tamai ajoute : « D’un autre côté, un décalage important entraîne également une baisse de la tension en circuit ouvert. Une conversion de puissance efficace nécessite un compromis entre le courant et la tension électrique sous la forme d’un faible offset. »

Les meilleures solutions peuvent parfois être trouvées en sortant des sentiers battus, ou dans ce cas, en inversant le raisonnement : perdre le fullerène.

Récemment, on a découvert que les OSC à base de NFA généraient des porteurs libres efficaces même avec un décalage de seulement 0,1 eV, dépassant les OSC à base de fullerène d’un impressionnant dix pour cent ou plus.

L’équipe a utilisé la spectroscopie d’absorption transitoire pour suivre la génération de porteurs libres dans le temps. Comme lorsqu’un skieur de slalom glisse sur la colline d’une porte à l’autre, les charges libres sont transférées librement le long de la cascade énergétique créée dans les cellules solaires.

« Nous espérons que nos recherches contribueront à rapprocher le monde de cette application pratique de la technologie des cellules solaires organiques pour exploiter la source d’énergie pratiquement inépuisable de notre soleil« , conclut M. Tamai.

L’article « Cascaded energy landscape as a key driver for slow yet efficient charge separation with small energy offset in organic solar cells » est paru le 22 février 2022 dans Energy & Environmental Science, avec le doi : 10.1039/D1EE03565G.

À propos de l’université de Kyoto

L’université de Kyoto est l’une des principales institutions de recherche du Japon et d’Asie. Fondée en 1897, elle a produit de nombreux lauréats du prix Nobel et d’autres prix internationaux prestigieux. Un vaste programme d’études en arts et en sciences, tant au niveau du premier cycle que du deuxième cycle, est complété par de nombreux centres de recherche, ainsi que par des installations et des bureaux au Japon et dans le monde entier.