Les simulations dévoilent des objectifs d'efficacité et des règles de conception pour maximiser la conversion de la lumière en électricité à l'aide de cellules solaires organiques.

Les cellules solaires organiques pourraient bientôt rivaliser avec les technologies photovoltaïques traditionnelles à base de silicium en termes d'efficacité de conversion. Une équipe du KAUST Solar Center a développé une approche informatique qui fournit des objectifs de performance pratiques et des règles utiles pour aider à concevoir et à développer des systèmes de matériaux pour des cellules solaires organiques optimales.

La plupart des panneaux solaires reposent sur des semi-conducteurs inorganiques pour récolter et convertir la lumière du soleil en électricité. Matériaux photovoltaïques organiques, cependant, sont devenus légers, alternatives peu coûteuses. Ces matériaux sont faciles à régler et à traiter à grande échelle, ce qui les rend attrayantes pour la production industrielle et la commercialisation.

Les cellules solaires organiques de pointe reposent sur des hétérojonctions massives, qui combinent des matériaux donneurs et accepteurs d'électrons sensibles à la lumière pour former une couche active. L'exposition au soleil crée un état excité qui génère des paires d'électrons et des trous chargés positivement, qui sont responsables du courant électrique. Ces porteurs de charge doivent être séparés, qui repose sur les matériaux donneurs et accepteurs d'électrons.

Les matériaux accepteurs à base de fullerène ont produit des cellules solaires organiques avec des rendements de conversion inégalés depuis près de deux décennies. Pourtant, ces matériaux présentent plusieurs inconvénients, telles que les pertes de tension élevées et la mauvaise absorption du spectre solaire, qui ont limité l'efficacité à 11 pour cent. Pendant ce temps, les alternatives non fullerène ont récemment surpassé toutes les cellules existantes à base de fullerène, cependant, un manque de compréhension des éléments qui contrôlent l'efficacité de conversion de ces cellules a limité l'amélioration supplémentaire des performances des cellules.

Thomas Anthopoulos et ses collaborateurs ont utilisé des simulations informatiques pour évaluer l'influence de plusieurs paramètres clés, y compris l'absorption et l'épaisseur de la couche active, mobilité des porteurs de charges et taux de recombinaison des charges, sur les performances des cellules solaires organiques non fullerène.

Le boursier postdoctoral Yuliar Firdaus explique que les simulations traitent explicitement l'effet de ces paramètres. Par conséquent, la limite d'efficacité de cellule calculée est similaire à l'efficacité que les cellules non à base de fullerène peuvent atteindre de manière réaliste avec une amélioration continue des matériaux.

Les chercheurs ont découvert que les cellules à base de non fullerène pouvaient atteindre des rendements supérieurs à 18 pour cent, même avec la mobilité de charge facilement réalisable dans les systèmes matériels existants. Les rendements pourraient même dépasser 20 % avec des mobilités élevées et équilibrées des électrons et des trous associées à de faibles constantes de taux de recombinaison. « Je suis convaincu que les cellules non à base de fullerène atteindront bientôt ces limites d'efficacité calculées, " dit Firdaus.

« Nous travaillons actuellement sur différents fronts, telles que le développement de nouvelles couches interfaciales et formulations de dopants, tout en gardant le même objectif principal :pousser l'efficacité des cellules solaires organiques au plus près des limites pratiques identifiées dans notre étude, " dit Firdaus.