Un aperçu des pertes d'énergie qui affectent la conversion de la lumière en électricité pourrait aider à améliorer l'efficacité des cellules solaires organiques. Une équipe de chimistes organiques dirigée par KAUST, ingénieurs matériaux, des spectroscopistes et des physiciens théoriciens de six groupes de recherche ont évalué de manière approfondie les processus limitant l'efficacité dans les systèmes photovoltaïques organiques.

Pour récolter la lumière, les cellules solaires organiques de pointe reposent sur des hétérojonctions massives, mélanges de matériaux donneurs et accepteurs d'électrons sensibles à la lumière. Lorsque la lumière frappe l'hétérojonction, les états excités résultants sont des paires d'électrons et des trous chargés positivement qui doivent être séparés pour produire du courant électrique. Lors de la séparation des charges, le donneur donne des électrons à l'accepteur, et l'accepteur transfère les trous au donneur. Par conséquent, l'efficacité des cellules solaires dépend de deux facteurs clés :le décalage d'affinité électronique entre ces matériaux, qui correspond à la capacité de l'accepteur à gagner un électron et pilote le transfert d'électrons; et le décalage d'énergie d'ionisation, qui représente la propension du donneur à libérer un électron, facilitant le transfert des trous.

Les accepteurs non fullerènes (NFA) ont récemment produit des cellules solaires avec des rendements de conversion proches de 20 pour cent, surpassant les accepteurs à base de fullerène qui dominaient auparavant. "La clé de ces efficacités record est la conception et la synthèse de matériaux qui combinent une génération de charge efficace avec des pertes d'énergie minimales, " explique le chef d'équipe Frédéric Laquai. " Cependant, le rôle précis des compensations énergétiques et de leurs processus associés n'est pas clair, qui a bloqué le développement de règles de conception pour les systèmes basés sur NFA", ajoute-t-il.

Pour remédier à ce, l'équipe multidisciplinaire a conçu une approche pour surveiller les processus photophysiques qui influencent la génération de charges dans 23 systèmes NFA différents. "Avec notre collaborateur, Denis Andrienko du Max Planck Institute for Polymer Research en Allemagne, nous avons développé un modèle concis qui nous a permis de corréler nos observations expérimentales aux paramètres physiques et aux structures chimiques, " dit le chercheur scientifique, Julien Gorenflot.

Les chercheurs ont découvert que, contrairement aux rapports récents, des compensations substantielles d'énergie d'ionisation étaient nécessaires pour générer des charges. En revanche, les décalages d'affinité électronique n'ont pas réussi à induire une séparation de charge quelle que soit leur amplitude. Ces découvertes inattendues résultent d'un processus connu sous le nom de transfert d'énergie de résonance de Förster, qui semble concurrencer le transfert d'électrons. La postdoctorante Catherine De Castro explique que « c'est une conséquence immédiate du principe de conception des mélanges, lorsque le donneur et l'accepteur présentent une émission et une absorption qui se chevauchent, ce qui facilite le transfert d'énergie."

L'équipe prévoit de concevoir de nouveaux matériaux combinant des efficacités de génération de charge améliorées avec des pertes d'énergie plus faibles. « Cela aidera à réduire l'écart d'efficacité avec d'autres technologies photovoltaïques émergentes et à rapprocher le photovoltaïque organique de sa maturité et de son application, " dit Gorenflot.

L'étude est publiée dans Matériaux naturels .