Comprendre comment les particules traversent un appareil est essentiel pour améliorer l'efficacité des cellules solaires. Chercheurs de la KAUST, travailler avec une équipe internationale de scientifiques, ont maintenant développé un ensemble de directives de conception pour améliorer les performances des matériaux moléculaires.

Quand un paquet de lumière, ou photon, est absorbé par un semi-conducteur, il génère une paire de particules connues sous le nom d'exciton. Un électron est une partie de cette paire; l'autre est son équivalent chargé positivement, appelé un trou. Les excitons sont électriquement neutres, il est donc impossible de les mettre en mouvement en appliquant un champ électrique. Au lieu de cela, les excitons "sautent" par un mouvement ou une diffusion aléatoire. La dissociation des excitons en charges est nécessaire pour créer un courant mais est hautement improbable dans un semi-conducteur organique.

« Donc typiquement, nous devons mélanger deux semi-conducteurs, un soi-disant donneur d'électrons et un accepteur d'électrons, générer efficacement des charges gratuites, " explique Yuliar Firdaus. " Les matériaux donneur et accepteur pénètrent l'un dans l'autre; maximiser la longueur de diffusion de l'exciton - la distance que l'exciton peut parcourir avant de se recombiner et d'être perdu - est crucial pour optimiser les performances de la cellule solaire organique.

De nombreuses cellules solaires organiques antérieures ont été fabriquées en mélangeant un polymère avec des molécules, connu sous le nom de fullerènes. Mais plus récemment, le remplacement du fullerène par d'autres matériaux organiques tels que les petites molécules non fullerènes a produit des améliorations impressionnantes de l'efficacité de l'appareil.

Firdaus et ses collègues ont combiné des mesures du photocourant avec une spectroscopie ultrarapide pour calculer la longueur de diffusion d'une grande variété de molécules non fullerènes. Ils ont observé de très grandes longueurs de diffusion des excitons, dans la plage de 20 à 47 nanomètres - une amélioration par rapport à la plage de 5 à 10 nanomètres caractéristique des fullerènes.

Pour mieux comprendre cette amélioration, l'équipe a comparé les données décrivant la structure cristallographique des molécules avec des calculs de chimie quantique. De cette façon, ils ont pu identifier les relations clés entre la structure chimique de la molécule et la longueur de diffusion. Une fois ces connexions établies, les scientifiques ont développé un ensemble de règles pour aider à la synthèse de matériaux améliorés et, finalement, aider à la conception de dispositifs photovoltaïques organiques avec une efficacité de conversion améliorée.

"Prochain, nous prévoyons d'étudier comment les processus de traitement des films pourraient affecter le taux de transfert d'excitons des accepteurs de petites molécules existants, " dit Firdaus. " Nous sommes également intéressés par la traduction des règles de conception moléculaire pour synthétiser de nouveaux matériaux accepteurs avec de meilleures performances. "