Des scientifiques de la TU Dresden et de l'Université de Hasselt en Belgique ont étudié les causes physiques qui limitent l'efficacité des nouvelles cellules solaires basées sur des matériaux moléculaires organiques. Actuellement, la tension de ces cellules est encore trop faible, une des raisons de leur efficacité encore relativement faible.

Dans leur étude, en étudiant les vibrations des molécules dans les films minces, les scientifiques ont pu montrer que des effets quantiques très fondamentaux, vibrations dites du point zéro, peut apporter une contribution significative aux pertes de tension. L'étude vient d'être publiée dans la revue Communication Nature .

Les cellules solaires sont un point de cristallisation de grands espoirs pour la nécessaire transformation de la production énergétique mondiale. Le photovoltaïque organique (OPV), qui est basé sur le bio, c'est-à-dire des matériaux à base de carbone, pourraient être idéalement adaptés pour devenir un pilier important dans le mix énergétique des « renouvelables » car ils ont un meilleur bilan écologique par rapport aux modules conventionnels à base de silicium et seule une petite quantité de matériau est nécessaire pour produire les films minces. Cependant, une augmentation supplémentaire de l'efficacité est nécessaire. Elle est basée sur différentes valeurs caractéristiques telles que la tension à vide, dont les valeurs trop faibles sont actuellement la principale raison des efficacités encore assez modérées du VPO.

L'étude a examiné les raisons physiques de cela, y compris les vibrations des molécules dans les films minces. Il a été montré que les vibrations dites du point zéro - un effet de la physique quantique qui caractérise le mouvement à température zéro absolue - peuvent avoir une influence significative sur les pertes de tension. Une relation directe entre les propriétés moléculaires et les propriétés macroscopiques du dispositif a été démontrée. Les résultats fournissent des informations importantes pour le développement et l'amélioration de nouveaux matériaux organiques.

Le bord à faible énergie des spectres d'absorption optique est crucial pour les performances des cellules solaires, mais dans le cas des cellules solaires organiques avec de nombreux facteurs d'influence, cela n'est pas encore bien compris. Dans la présente étude, l'origine microscopique des bandes d'absorption dans les systèmes de mélange moléculaire et leur rôle dans les cellules solaires organiques ont été étudiés. L'accent a été mis sur la dépendance à la température des caractéristiques d'absorption, qui a été étudiée théoriquement en tenant compte des vibrations moléculaires. Les simulations correspondent très bien aux spectres d'absorption mesurés expérimentalement, ce qui conduit à un certain nombre de découvertes importantes.

Les auteurs ont découvert que les vibrations du point zéro, médiée par l'interaction électron-phonon, entraîner une bande passante d'absorption considérable. Ceci conduit à la réémission d'une partie de l'énergie qui n'est pas utilisée et réduit ainsi la tension en circuit ouvert. Ces pertes de tension peuvent maintenant être prédites à partir de paramètres moléculaires électroniques et vibroniques. Ce qui est inhabituel, c'est que cet effet est fort même à température ambiante et peut réduire considérablement l'efficacité de la cellule solaire organique. Quelles stratégies pour réduire ces pertes de tension induites par les vibrations pourraient être appliquées est en cours de discussion par les auteurs pour un plus grand nombre de systèmes et différentes géométries d'hétérojonction.