L'efficacité de conversion de puissance des cellules solaires flexibles est considérablement améliorée !

Récemment, des chercheurs de l'Institut de Qingdao de bioénergie et de technologie des bioprocédés (QIBEBT) de l'Académie chinoise des sciences ont amélioré les matériaux utilisés dans les cellules solaires organiques ternaires (TOSC), atteignant des niveaux d'efficacité similaires à ceux des cellules solaires traditionnelles. Cette recherche a été publiée dans la revue « Advanced Materials ». Les cellules solaires photovoltaïques organiques (OSC) sont un type de cellule solaire qui convertit la lumière du soleil en électricité à l'aide de matériaux organiques, généralement de petites molécules ou des polymères, par opposition aux cellules solaires inorganiques traditionnelles qui utilisent du silicium cristallin ou d'autres matériaux inorganiques.

L’un des principaux avantages des cellules solaires organiques est leur polyvalence et leur légèreté. Ils peuvent être produits à moindre coût en utilisant des techniques basées sur des solutions telles que l'impression à jet d'encre, permettant d'utiliser des rouleaux flexibles au lieu de panneaux rigides. En conséquence, ils trouvent des applications dans divers domaines tels que les capteurs, les chargeurs portables et les appareils électroniques portables. Les OSC peuvent également être semi-transparents ou colorés, ce qui les rend esthétiquement agréables et adaptés à l'intégration dans des bâtiments, des fenêtres et d'autres structures.

Cependant, par rapport aux cellules solaires inorganiques, les cellules solaires organiques ont des rendements de conversion de puissance (PCE) inférieurs, que TOSC vise à améliorer. Les cellules solaires organiques binaires standard sont constituées d'un matériau donneur et d'un matériau accepteur, mais le TOSC est différent car il comprend un troisième composant appelé matériau « invité ».

L'inclusion de ce composant invité est cruciale pour améliorer divers aspects des performances des cellules solaires, tels que la modification du flux d'énergie interne de la cellule et l'optimisation de la manière dont la cellule convertit la lumière en électricité. Le composant invité est particulièrement important pour augmenter le PCE, car il peut élargir le spectre de lumière que la cellule solaire peut absorber. En sélectionnant des matériaux invités qui absorbent la lumière dans des zones non couvertes par les matériaux donneurs ou accepteurs, la capacité globale d'absorption de la lumière de la cellule peut être améliorée. Cela permet également d’affiner la morphologie du film mixte, affectant la dissociation des excitons, la génération de charges et le transport.

Étant donné que les composants invités peuvent effectuer plusieurs activités différentes, leur emplacement précis dans le « sandwich » ou la matrice de la cellule solaire a un impact significatif sur les performances. Il existe trois positions possibles pour le composant invité : intégré dans le matériau donneur, intégré dans le matériau accepteur ou dispersé à l'interface entre le donneur et l'accepteur, créant ainsi des structures mixtes de type alliage (agrégats). Cependant, jusqu'à récemment, la position de la composante invitée a été relativement peu étudiée expérimentalement.

Dans leurs recherches, les scientifiques ont utilisé un composant invité appelé LA1 dans TOSC, qui diffère des autres matériaux de composants invités en termes de cristallinité. LA1 est un accepteur de petites molécules et les chercheurs l'ont modifié avec une chaîne latérale phénylalkyle, un groupe fonctionnel couramment utilisé dans les matériaux organiques pour les systèmes photovoltaïques.

La modification de LA1 pour inclure les chaînes latérales phénylalkyle a augmenté à la fois la cristallinité et l'alignement tout en maintenant une compatibilité suffisante, ce qui a permis d'améliorer les performances du TOSC.

De plus, les chercheurs ont contrôlé la distribution du composant invité en modifiant les variables qui influencent l'interaction entre l'hôte et les composants invités, telles que la compatibilité hôte/invité, l'énergie de surface, la cinétique cristalline et les interactions intermoléculaires. Ils ont trouvé des agrégats de type alliage dans la plupart des molécules invitées, qui se sont infiltrés et diffusés dans toute la matrice hôte.

La taille des cristallites de ces « alliages » hôtes/invités intégrés pourrait être facilement ajustée pour améliorer le transfert de charge et supprimer la recombinaison de charge, ce qui entraînerait une augmentation initiale du PCE de plus de 15 %. Par la suite, en combinant le composant invité avec les accepteurs de la série Y6 comme composant principal, ils ont obtenu une amélioration encore plus importante de l'efficacité, de plus de 19 %.

Les chercheurs estiment avoir obtenu un succès expérimental significatif, mais une meilleure compréhension des facteurs sous-jacents à l’origine de ces avantages est nécessaire à l’avenir. Ils espèrent acquérir une compréhension plus approfondie de ces systèmes fondamentaux.

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