Une incompatibilité électronique dans les paires de matériaux utilisés pour fabriquer des cellules solaires organiques peut améliorer le fonctionnement des cellules, ont montré des chercheurs de KAUST. La découverte surprise - publiée dans Advanced Materials et réalisé à la suite d'une réanalyse complète des matériaux solaires organiques de pointe - devrait permettre aux chercheurs de prédire de nouvelles formulations organiques avec de fortes performances de cellules solaires.

La couche de capture de lumière des cellules solaires organiques est généralement composée d'un mélange à deux composants appelé mélange donneur-accepteur. À la lumière du soleil, l'énergie entrante peut exciter les électrons à sauter entre différents niveaux d'énergie dans le mélange, ce qui suggère que l'alignement du niveau d'énergie entre le donneur et le composant accepteur devrait être la clé des performances de l'appareil. Cependant, différents groupes de recherche ont utilisé différentes méthodes pour mesurer les niveaux d'énergie et ont produit des résultats contradictoires sur l'effet de l'alignement des niveaux d'énergie.

"Nous voulions comprendre l'origine de cette compréhension contradictoire", explique Anirudh Sharma, postdoctorant au laboratoire de Derya Baran, qui a dirigé les travaux. "Cela nous a motivés à étudier les niveaux d'énergie des matériaux organiques des cellules solaires en utilisant différentes méthodes pour établir des relations significatives entre les matériaux et les propriétés", déclare-t-il.

L'équipe a déterminé les niveaux d'énergie de 33 matériaux solaires organiques en utilisant quatre techniques différentes. "Nos résultats montrent que les niveaux d'énergie des semi-conducteurs organiques mesurés à l'aide de la spectroscopie de photoélectrons et de photoélectrons inverses à basse énergie sont étroitement corrélés aux propriétés des cellules solaires", explique Jules Bertrandie, Ph.D. étudiant dans le groupe de Baran. Il note que la voltamétrie cyclique, en revanche, a donné des résultats trompeurs dans le contexte des niveaux d'énergie des cellules solaires.

Après avoir établi les meilleures méthodes de mesure, l'équipe a analysé l'alignement du niveau d'énergie dans 12 mélanges de cellules solaires organiques donneur-accepteur. Les résultats ont montré, contrairement à la croyance actuelle, que les mélanges avec peu ou pas de différence dans une métrique de niveau d'énergie, connue sous le nom d'énergie d'ionisation, étaient peu performants. Les cellules solaires organiques les plus performantes présentaient une différence significative d'énergie d'ionisation entre le composant donneur et le composant accepteur dans le mélange.

"Nous n'étions pas surpris que notre proposition d'un nouveau type de mesure du niveau d'énergie soit plus fiable, mais nous avons été surpris que notre hypothèse révèle que ce que l'on croit généralement dans la littérature n'est en fait pas vrai", a déclaré Baran. "Cette méthode a un énorme potentiel pour révéler de nouveaux systèmes de paires donneur-accepteur qui pourraient bien fonctionner dans les cellules solaires organiques et mettraient également en évidence les paires qui ne fonctionneront pas", ajoute-t-elle.

L'importance du résultat s'étend au-delà de la recherche solaire, note Sharma. "Les implications de cette étude sont pertinentes pour un domaine plus large de l'électronique organique en général", dit-il. + Explorer plus loin

Cartographier la circulation de l'énergie dans les cellules solaires organiques