Les chercheurs ont découvert pourquoi les nouveaux types de matériaux solaires captent si bien la lumière et ont fourni des règles de conception pour les améliorer.

Cela ouvre la possibilité de concevoir des cellules solaires flexibles, qui pourraient être utilisés dans les bâtiments et les vêtements.

Les panneaux solaires traditionnels sont fabriqués à partir de matériaux durs, des matériaux à base de silicium efficaces mais relativement coûteux et peu adaptables. Les nouvelles cellules solaires « organiques » sont au contraire beaucoup plus flexibles - à la fois en termes de façon dont elles peuvent être adaptées en peaufinant la chimie, et comment ils peuvent être physiquement pliés.

Les matières solaires organiques peuvent également être produites sous forme d'encres, ce qui signifie que les dispositifs basés sur ces matériaux peuvent être fabriqués en série à moindre coût par pulvérisation ou impression.

Cependant, Les cellules solaires organiques ne sont actuellement pas aussi efficaces pour transformer l'énergie lumineuse en électricité que les cellules solaires au silicium courantes. Les scientifiques ont récemment fait des progrès avec de nouveaux types de matériaux organiques, mais ils ne savaient pas exactement comment les nouveaux matériaux pouvaient atteindre ces niveaux d'efficacité, les empêchant de les rendre encore meilleurs.

Maintenant, dans une nouvelle étude publiée cette semaine dans Matériaux naturels , chercheurs d'une grande équipe internationale, dont l'Imperial College de Londres, ont déterminé le fonctionnement des nouveaux matériaux, et comment ils peuvent être encore améliorés.

Efficacité inconnue
Dr Artem Bakulin, du Département de chimie de l'Impériale, a déclaré:"La nature légère et flexible des cellules solaires organiques signifie qu'elles peuvent être moulées dans n'importe quelle forme que nous voulons. Il existe un grand potentiel pour les cellules solaires organiques à intégrer dans les bâtiments et les véhicules, ou même être incorporé dans les tissus que nous portons. Pas cher, les panneaux solaires légers peuvent également être facilement transportés et installés dans des régions du monde sans électricité. »

Les chercheurs savaient que dans les matériaux organiques, il y avait de grandes pertes d'énergie, ce qui signifie qu'ils n'étaient pas efficaces pour convertir l'énergie solaire en électricité.

En effet, une partie de l'énergie provenant des particules lumineuses (photons) doit être utilisée pour la « séparation des charges » - pour aider les charges électriques (appelées « électrons » et « trous ») créées par les photons à s'éloigner les unes des autres, afin qu'ils puissent plus tard générer du courant électrique.

Dans la grande majorité des cellules solaires organiques développées au cours des 30 dernières années, au moins 30 % de l'énergie transportée par les photons est perdue lors de la séparation des charges. Cependant, au cours des deux dernières années, une nouvelle classe de matières organiques a été introduite, communément appelés « accepteurs non fullerènes » (NFA).

Les NFA ont contribué à réduire de près de moitié les pertes de séparation de charge et ont porté le rendement des cellules solaires organiques à environ 14 %. C'est remarquable, étant donné que la limite théorique d'efficacité est d'environ 30 pour cent, et les cellules au silicium les plus courantes peuvent atteindre 25 % en laboratoire.

De nouvelles règles pour de nouveaux matériaux
En collaboration avec six autres groupes à travers le monde, Les chercheurs de l'Impériale ont développé et étudié un grand nombre de cellules solaires efficaces à base de NFA et ont découvert une raison possible derrière leurs performances réussies.

En utilisant des techniques laser ultrarapides avancées, ils ont observé que dans ces appareils, les électrons et les trous qui sont liés entre eux et incapables de générer du courant ne sont pas perdus, mais peuvent reconvertir à l'état excité initial avec une énergie correspondant au photon qui les a créés. De cette façon, les pertes d'énergie sont réduites et l'efficacité de l'appareil peut atteindre les valeurs record.

Avec leur nouvelle compréhension, l'équipe a également formulé l'ensemble de règles clés qui pourraient conduire à des cellules solaires organiques encore plus efficaces à l'avenir.

Les chercheurs des sept instituts de recherche aux États-Unis, La Chine et l'Europe ont produit ensemble une dizaine de matériaux différents, dont certains ont été signalés précédemment et d'autres qui sont complètement nouveaux. Ils les ont utilisés pour démontrer que les règles proposées concordent avec les résultats expérimentaux, malgré certaines règles renversant les idées précédentes.

Tom Hopper, du Département de chimie de l'Impériale, a déclaré:"Jusqu'à présent, le développement de matériaux de cellules solaires organiques se faisait principalement par une approche synthétique d'essais et d'erreurs. Nous espérons que les règles de conception que nous avons définies seront utiles aux scientifiques intéressés par le développement de cellules solaires organiques efficaces ."