Un matériau pas cher, fabriqué à partir de flocons de disulfure de tungstène de quelques atomes d'épaisseur, a contribué à améliorer les performances des cellules solaires organiques1. La découverte par les chercheurs de KAUST pourrait être une étape importante vers une utilisation plus large de ces cellules photovoltaïques pour produire de l'électricité propre.

La plupart des cellules solaires utilisent du silicium pour absorber la lumière et convertir son énergie en électricité. Mais les molécules semi-conductrices à base de carbone, utilisé dans le photovoltaïque organique (OPV), offrent des avantages distincts par rapport au silicium. Les VPO ont tendance à être flexibles, par exemple, ce qui signifie qu'ils pourraient être fabriqués à grande échelle en utilisant une impression rouleau à rouleau à faible coût. Mais les meilleurs OPV convertissent environ 16 à 17% de la lumière qu'ils captent en énergie électrique, bien en deçà des cellules de silicium commerciales qui dépassent 20 pour cent.

Thomas D. Anthopoulos, et collègues du KAUST Solar Center, ont estimé que les OPV pourraient rivaliser avec cette performance si certaines parties de la cellule étaient améliorées2. Lorsque la lumière frappe le semi-conducteur, il libère des électrons du matériau et laisse des trous chargés positivement. Les électrons et les trous sont rassemblés par différentes couches sur les faces opposées du semi-conducteur et délivrés aux électrodes de la cellule pour générer un courant. Le premier transporteur de trous est un polymère appelé PEDOT:PSS, mais il est acide et absorbe l'humidité de l'air, qui dégrade d'autres matériaux dans la cellule solaire.

L'équipe interdisciplinaire d'Anthopoulos a maintenant développé une couche de transport de trous constituée d'éclats d'un matériau 2D, disulfure de tungstène. Les chercheurs ont utilisé des ultrasons pour déchirer les flocons de disulfure de tungstène en poudre en suspension dans un mélange d'eau et d'éthanol. Cette méthode de sonication est peu coûteuse et facile à étendre, et les flocons peuvent être étalés sur une électrode en utilisant un procédé de revêtement par centrifugation simple et largement utilisé.

L'équipe a fabriqué plusieurs OPV de cette façon, et le meilleur avait une efficacité de conversion de puissance de 17%, qui est le plus élevé pour n'importe quel OPV utilisant un matériau 2-D comme transporteur de trous et parmi les plus élevés pour n'importe quel OPV. "Nous avons été très surpris d'atteindre 17%, " dit Yuanbao Lin, un doctorat étudiant dans l'équipe. "Nous pensons que ce n'est que le début et qu'il y a une marge significative d'amélioration des performances."

L'équipe a découvert que la couche de disulfure de tungstène a une résistance inférieure à celle du PEDOT:PSS et est également meilleure pour rassembler les trous que son rival, conduisant à une amélioration des performances. "Notre objectif immédiat est de pousser l'efficacité de nos cellules solaires organiques bien au-delà de 17% et vers nos limites théoriquement prédites, " dit Anthopoulos. " Nous visons également à étudier la stabilité de ces cellules solaires organiques à haut rendement. "