Les scientifiques des matériaux de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ont atteint un nouveau record dans la performance des matières organiques, non à base de fullerène, cellules solaires à simple jonction. En utilisant une série d'optimisations complexes, ils ont atteint une efficacité de conversion de puissance certifiée de 12,25 % sur une surface mesurant un centimètre carré. Cette surface standardisée est l'étape préliminaire à la fabrication du prototype. Les résultats, réalisé en collaboration avec des partenaires de l'Université de technologie de Chine du Sud (SCUT), ont maintenant été publiés dans Énergie naturelle .

Les systèmes photovoltaïques organiques ont connu un développement rapide au cours des dernières années. Dans la plupart des cas, les cellules solaires organiques se composent de deux couches de semi-conducteurs - l'une agit en tant que donneur en fournissant les électrons, et le second agit comme un accepteur ou un conducteur d'électrons. Contrairement au silicium classiquement utilisé, qui doit être extrait d'une masse fondue ou précipité dans des systèmes sous vide, les couches de polymère dans ce système peuvent être déposées à partir d'une solution directement sur un film support. D'un côté, cela signifie des coûts de fabrication comparativement bas, et de l'autre, ces modules flexibles peuvent être utilisés plus facilement que les cellules solaires au silicium dans les espaces urbains. Pendant longtemps, fullerènes, qui sont des nanoparticules à base de carbone, étaient considérés comme des accepteurs idéaux, mais les pertes intrinsèques des composites à base de fullerène limitent encore sévèrement leur efficacité potentielle. Les travaux menés à la FAU ont ainsi conduit à un changement de paradigme. "Avec nos partenaires en Chine, nous avons découvert une nouvelle molécule organique qui absorbe plus de lumière que les fullerènes et qui est également très durable, " déclare le Pr. Dr Christoph Brabec, Chaire de science des matériaux (Matériaux en électronique et technologie de l'énergie) à la FAU.

Standardisation complexe

Les améliorations significatives des performances et de la durabilité signifient que le photovoltaïque imprimé hybride organique devient maintenant intéressant pour un usage commercial. Cependant, développer des prototypes pratiques, la technologie doit être transférée des dimensions de laboratoire de quelques millimètres carrés à la dimension normalisée d'un centimètre carré.

"Des pertes importantes surviennent fréquemment lors du détartrage, " dit le Dr Ning Li, un scientifique des matériaux à la chaire du Pr Brabec. Dans le cadre d'un projet financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), Ning Li et ses collègues de SCUT à Guangzou ont pu réduire considérablement ces pertes. Dans un processus complexe, ils ont ajusté l'absorption de la lumière, niveaux d'énergie et microstructures des semi-conducteurs organiques. L'objectif principal de cette optimisation était la compatibilité du donneur et de l'accepteur, et l'équilibre de la densité de courant de court-circuit et de la tension en circuit ouvert, qui sont des conditions préalables importantes pour une production élevée d'électricité.

Efficacité record certifiée

"Je pense que la meilleure façon de décrire notre travail est d'imaginer une boîte de briques Lego, " dit Li. "Nos partenaires en Chine ont inséré et ajusté des groupes moléculaires uniques dans la structure du polymère, et chacun de ces groupes influence une caractéristique spéciale qui est importante pour le fonctionnement des cellules solaires. un centimètre carré, où l'accepteur n'est pas constitué de fullerènes. Il est également intéressant de noter que les chercheurs ont réussi à maintenir les pertes d'échelle à des niveaux si bas que la valeur la plus élevée en laboratoire sur une petite surface n'était que légèrement inférieure à 13 %. À la fois, ils ont pu démontrer une stabilité pertinente pour la production dans des conditions simulées telles que la température et l'ensoleillement.

La prochaine étape consiste à étendre le modèle à la taille d'un module à l'usine solaire du futur à Energie Campus Nürnberg (EnCN) avant le début du développement de prototypes pratiques.