Une nouvelle approche de conception et des matériaux organiques spécialisés contribuent à améliorer l’efficacité des cellules solaires côte à côte, transformant la production d’électricité côte à côte.

L’énergie solaire est l’une des principales sources d’énergie bon marché et renouvelable, et un outil essentiel pour aider à atténuer l’aggravation de la crise climatique. La méthode la plus largement utilisée pour convertir l’énergie solaire en électricité consiste à utiliser des cellules solaires, qui génèrent un courant électrique lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil. Par conséquent, le développement de cellules solaires bon marché, fiables et efficaces est d’une importance capitale pour la transition des combustibles fossiles vers cette forme d’énergie propre.

Les cellules solaires conventionnelles sont généralement fabriquées à l’aide de divers semi-conducteurs, qui sont des matériaux conçus pour gérer et contrôler le flux de courant électrique dans les appareils électroniques. Les semi-conducteurs organiques, des matériaux composés principalement d’atomes de carbone, sont très populaires dans le domaine car ils sont abondants dans la nature, abordables pour être traités au niveau industriel, et les cellules solaires ultérieures fabriquées à partir de ceux-ci sont flexibles et transparentes.

Cependant, le problème est que leur efficacité, en particulier la vitesse à laquelle la lumière solaire entrante est convertie en énergie utilisable, est limitée. De plus, la plupart des molécules organiques ne peuvent générer de l’électricité que lorsqu’elles sont exposées à la lumière de certaines longueurs d’onde, ce qui signifie que pour tirer parti de l’ensemble du spectre solaire, qui comprend le rayonnement infrarouge et ultraviolet en plus de la lumière visible, des cellules solaires organiques sont généralement construites. en utilisant un grand volume. Un certain nombre de films différents, chacun sensible à une fraction du spectre de rayonnement solaire.

« Les cellules photovoltaïques organiques conventionnelles ont une structure en sandwich, c’est-à-dire que les films organiques qui génèrent du courant par la lumière du soleil sont pris en sandwich verticalement entre deux électrodes », a expliqué Masahiro Hiramoto, professeur aux Instituts nationaux des sciences naturelles et à l’Université des études avancées. au Japon. « Plus précisément, sur un substrat en verre, l’électrode transparente, le film organique et l’électrode métallique sont déposés séquentiellement dans la direction verticale. Par conséquent, le courant induit par la lumière circule dans la direction verticale par rapport à la surface du substrat. »

Étant donné que différents semi-conducteurs organiques réagissent différemment à la lumière du soleil, il y a un impact négatif sur la conception et la taille du « sandwich » qui constitue la cellule solaire en tandem.

« Dans le cas des cellules organiques colonnaires conventionnelles, il existe de sérieuses limitations à la combinaison de plusieurs matériaux car l’amplitude du courant généré par chacune des différentes couches organiques doit être égale », a déclaré Hiramoto. « Il s’agit d’une limitation sévère pour la fabrication de cellules tandem. »

Approche latérale

Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont conçu un nouveau type de cellule solaire avec un agencement d’électrodes différent par rapport au film sandwich, supprimant toute restriction sur le courant traversant chaque film. Cette nouvelle conception a été surnommée la cellule solaire latérale car le courant passe maintenant horizontalement au lieu de verticalement.

« Les cellules photovoltaïques latérales contiennent deux électrodes, qui sont déposées sur les bords latéraux droit et gauche du film organique », a expliqué Hiramoto. « Par conséquent, le courant induit par la lumière dans le film organique circule dans la direction latérale par rapport à la surface du substrat. Cela signifie qu’un nombre infini de couches organiques peuvent être empilées librement sans restriction dans le but d’utiliser l’ensemble du spectre solaire. C’est un rêve pour les scientifiques des cellules solaires.

Bien que cet agencement d’électrodes permette un courant différent dans chaque film, il présentait encore certains inconvénients, que l’équipe a résolus. leurs études Publié dans Bonne condition physique a. Les épaisseurs de film sont généralement de l’ordre du nanomètre avec une longueur de quelques millimètres (parfois des centimètres). Par conséquent, les électrons déplacés par la lumière entrante doivent parcourir une distance beaucoup plus grande pour atteindre les électrodes dans les cellules solaires latérales que dans les cellules colonnaires conventionnelles.

Cette différence de distance rend la cellule plus sensible à la concentration d’électrons et à une propriété du matériau comme le mouvement de l’électron ou la vitesse à laquelle il se déplace à travers un film.

« La distance potentielle de circulation du courant dans les membranes organiques a été déterminée comme étant de l’ordre de centaines de nanomètres en raison de leur faible mobilité », a ajouté Hiramoto. Par conséquent, nous ne pouvons fabriquer des cellules colonnaires que parce que la distance du flux de courant est égale à l’épaisseur du film (la distance entre deux électrodes), c’est-à-dire inférieure à 1 μm. Cependant, étant donné que des matériaux organiques à haut degré de mobilité ont été développé plus récemment, la distance potentielle du flux de courant a augmenté. Le courant dans les films organiques est de l’ordre du millimètre. Par conséquent, il est maintenant plus facile de fabriquer des cellules solaires organiques à défilement latéral.

stimulants pour améliorer l’efficacité

Afin d’améliorer les conceptions existantes de cellules solaires côte à côte, Hiramoto et ses collègues ont ajouté des impuretés intentionnelles aux matériaux organiques, un processus appelé dopage. Les interactions entre le semi-conducteur et l’impureté visée augmentent le nombre d’électrons libres pouvant être utilisés pour générer un courant électrique.

Les scientifiques ont travaillé avec un sandwich composé de deux films de semi-conducteurs organiques de 100 nm d’épaisseur appelés C8-BTBT et PTCDI-C8. Le premier était dopé au F₄TCNQ, et ce dernier avec Cs₂co₃qui sont de bons donneurs d’électrons.

« Le dopage, c’est-à-dire l’ajout d’une petite quantité d’une impureté donneur ou accepteur d’électrons des couches organiques, donne des couches organiques à la fois riches et pauvres en électrons », a expliqué Hiramoto. La cellule solaire a été améliorée.

Les chercheurs ont expérimenté la quantité d’impuretés ajoutées aux films organiques et ont étudié leur effet sur la génération actuelle. En conséquence, ils ont trouvé des niveaux de dopage optimaux qui ont presque doublé le courant électrique généré par la lumière incidente dans leurs cellules solaires côte à côte.

Les cellules solaires de preuve de concept ne mesuraient qu’une fraction de millimètre, et davantage de travail est nécessaire avant que cela puisse être mis à l’échelle et mis en pratique. Cependant, les scientifiques disent qu’ils espèrent que les progrès de la science des matériaux rendront cela possible dans les années à venir.

Avancement dans le domaine de l’adhésion [compounds] dit Hiramoto. Beaucoup de mobilité organique [materials], qui permet au courant de circuler au-dessus de la distance de commande en centimètres, sera développée d’ici 10 ans. Ensuite, la nouvelle cellule solaire organique existante pourra être mise en pratique.

Référence : Jaseela Palassery Ithikkal, Seiichiro Izawa, Masahiro Hiramoto, Anesthésie par cellule photoélectrique latérale organiqueSolidi a (2023), état physique, DOI : 10.1002/pssa.202300108

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