Les cellules solaires organiques ont le potentiel de devenir une source d'énergie renouvelable peu coûteuse et rapide à déployer et à développer. Des physiciens de l'Université d'Oxford ont exploré certains des fondements scientifiques de la formation et du fonctionnement de ces cellules.

L'énergie solaire représente actuellement moins de 2 % de l'électricité produite dans le monde, mais pourrait apporter une grande contribution à la durabilité. Pour atteindre l'échelle, il faut le déployer sur une grande surface. « Nous avons besoin de plusieurs milliers de kilomètres carrés pour réduire l'approvisionnement énergétique mondial, il est donc essentiel de pouvoir évoluer rapidement et à faible coût. " dit le professeur Moritz Riede, le chercheur principal pour OSC Go et professeur agrégé de nanomatériaux fonctionnels mous à Oxford. « Vous aimeriez pouvoir recouvrir des kilomètres carrés de cellules solaires de manière économique et rapide. »

La plupart des systèmes solaires disponibles dans le commerce sont basés sur des semi-conducteurs en silicium inorganique. Biologique, le photovoltaïque à base de carbone pourrait offrir de nombreux avantages - ils sont légers et flexibles, peut venir en différentes couleurs, et sont fabriqués à bas prix, utilisant des procédés à basse température. Malheureusement, actuellement, ils sont également beaucoup moins efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité que les systèmes conventionnels à base de silicium.

L'équipe OSC Go a passé les quatre dernières années à explorer certaines des questions fondamentales sur la fabrication des cellules solaires organiques (OSC) en vue d'améliorer leurs performances.

Observation du dépôt

Les relations structure-propriété ont été au cœur de leurs recherches, car l'agencement des molécules à l'intérieur d'une cellule solaire organique peut avoir un impact important sur ses performances. L'équipe a conçu des moyens d'utiliser la lumière de différentes longueurs d'onde - des rayons X au proche infrarouge - pour sonder comment les molécules s'organisent en couches minces. "Ceci est généralement étudié lorsqu'il est complètement formé, une fois le processus terminé, mais nous pouvons observer les molécules pendant le processus de dépôt, " dit le professeur Riede, "Nous pouvons donc voir comment les molécules s'emballent et ce que nous pouvons faire pour manipuler leur disposition."

En utilisant Fullerène C60, un matériau souvent utilisé pour fabriquer des OSC, l'équipe a réussi à observer comment des défauts peuvent se former dans ces films minces et même influencer le résultat. "Nous avons observé des défauts d'empilement C dans une direction moléculaire particulière, " dit le professeur Riede, "Cela nous a donné un point de données important au niveau structurel pour interpréter les performances de tels dispositifs."

De grands modèles

Dans une cellule solaire organique, la lumière du soleil est absorbée dans les couches photoactives constituées généralement d'un mélange de deux matériaux - donneurs d'électrons et molécules accepteurs - où elle est convertie en électricité. Les chercheurs de l'OSC Go ont passé du temps à évaluer les performances des cellules solaires à hétérojonction diluée, celles dont la teneur en donneurs est de 5 % ou moins.

« Ces appareils ont fonctionné étonnamment bien, " dit le professeur Riede, "Nous avons donc cherché dans des cellules C60 pures pour voir comment les molécules s'emballent et comment elles s'emballent et se comportent en présence d'autres molécules. Ces dispositifs sont d'excellents systèmes modèles et nous avons essayé de joindre les résultats microstructuraux à ceux photo-physiques. "

L'effet des changements de la microstructure sur les performances des dispositifs était un troisième domaine d'étude. En collaboration avec l'entreprise chimique Merck, l'équipe a étudié ce qui se passe lorsque le film OSC est soumis à des températures élevées ou exposé au soleil pendant de longues périodes, ce qu'ils feront pendant le fonctionnement. "Nous avons mesuré les changements de microstructure avec des rayons X et d'autres méthodes et avons pu relier ces changements à des changements dans les performances des OSC, " dit le professeur Riede, "donc cela nous permet de chercher des moyens d'inhiber cela."

Une meilleure compréhension de ce qui se passe à l'échelle nanométrique sera très utile pour choisir les matériaux à utiliser pour fabriquer des OSC efficaces, Le professeur Riede croit.

"Il existe une pléthore de matériaux que vous pouvez utiliser et on peut ajuster les matériaux et améliorer leurs performances grâce à une conception chimique intelligente et de bonnes conditions de fabrication, " il dit, "mais pour pouvoir le faire, il faut aussi être capable de comprendre les fondamentaux."