Des chercheurs ont identifié un mécanisme responsable du faible rendement de cellules solaires organiques

En associant spectroscopie et modélisations numériques, les chercheurs ont réussi à mieux comprendre les mécanismes d’absorption de photons et de recombinaison qui s’opèrent dans les cellules organiques.

L’intérêt des cellules solaires organiques

Sur le papier, les propriétés des cellules solaires organiques sont plus qu’intéressantes. Produire des cellules solaires à la fois flexibles et semi-transparentes, de manière économique et avec un impact environnemental bien inférieur à celui des cellules inorganiques a de quoi faire rêver.

Néanmoins, à l’heure actuelle, si le rendement de telles cellules atteint rarement celui des cellules inorganiques (20 % à 25 %) en conditions de laboratoire, en conditions réelles d’utilisation le rendement ne dépasse pas 10 à 12 %.

Pour quelles raisons ? C’est justement ce que les chercheurs menés par l’Université de Cambridge ont tenté de comprendre.

Éviter l’état de triplet exciton

Les cellules solaires organiques fonctionnent en reproduisant partiellement le processus naturel de photosynthèse. Mais au lieu d’utiliser cette énergie pour convertir le CO2 en eau et en glucose, elles l’emploient pour générer de l’électricité.

Lorsqu’un photon rencontre la cellule, le rayonnement produit une excitation électronique, ce qui laisse un « trou » dans la structure électronique du matériau. Lorsqu’un électron excité se recombine avec un trou, il se forme une quasi-particule appelée exciton.

Néanmoins, il arrive que les électrons perdent leur énergie d’excitation, à travers un processus appelé « recombinaison ». Comme l’attraction électron-trou est plus forte dans les cellules organiques que dans les cellules au silicium, elles sont plus facilement sujettes à recombinaison, ce qui affecte leur rendement de manière défavorable. Pour contourner ce problème, il devient nécessaire de combiner deux matériaux qui jouent des rôles différents : celui de donneur d’électrons et celui d’accepteur d’électrons.

Dans le but d’améliorer le rendement des cellules organiques, cette équipe de chercheurs a voulu mieux comprendre les mécanismes d’absorption et de recombinaison. Pour y arriver, ils ont ainsi associé des moyens de laboratoire à des modélisations numériques.

Ceci leur a permis de découvrir que la recombinaison d’un type particulier d’exciton (le triplet exciton) était en grande partie responsable de cette baisse de rendement.

Prévenir la recombinaison par des interactions moléculaires fortes

Grâce à des modélisations numériques, les chercheurs ont ainsi découvert que la formation de triplets exciton dans les cellules organiques pouvait être évitée par la création d’interactions moléculaires fortes entre le matériau donneur et le matériau accepteur d’électrons.

Dans un communiqué de presse, le Dr Alexander Gillett du Cavendish Laboratory de Cambridge est enthousiaste : « Le fait que nous puissions utiliser les interactions entre les composants d’une cellule solaire pour éviter les pertes dues aux triplets excitons était vraiment une surprise ».

Puis il ajoute : « Notre méthode montre comment on peut manipuler les molécules pour empêcher la recombinaison. »

Les travaux publiés dans le journal Nature ouvriraient ainsi la voie à la conception de cellules solaires organiques présentant des rendements de conversion de puissance supérieurs à 20 %.