Amélioration de l'efficacité des cellules solaires tout polymère

Les FF élevés (~ 70%) des cellules solaires à mélange entièrement polymère ont été obtenus en raison des durées de vie plus longues des porteurs de charge en raison des coefficients de recombinaison de charge bimoléculaires inférieurs. La morphologie de mélange préférée pour supprimer la recombinaison de charge bimoléculaire est caractérisée par une structure locale bien ordonnée due à l'agrégation de chaîne à la fois par le donneur de polymère (D) et l'accepteur (A). Crédit :Hiroaki Benten

Les cellules solaires sont un contributeur important à l'approvisionnement en énergie renouvelable, mais les déchets de panneaux solaires deviendront rapidement un énorme problème. Maintenant, dans une étude récemment publiée dans Journal of Materials Chemistry A , des chercheurs de l'Institut des sciences et technologies de Nara (NAIST) ont étudié la science qui pourrait aider à améliorer l'utilité des cellules solaires à base de polymères facilement productibles en masse.

À l'échelle mondiale, environ un tiers de l'électricité provient actuellement de sources renouvelables. Les cellules solaires à base de silicium sont le principal contributeur, mais il y a un problème croissant :que faire des panneaux après leur durée de vie de 30 ans. Un article de mai 2022 dans Chemical &Engineering News expose le problème :même lorsque les installations recyclent les cadres et les couvertures des panneaux, les éléments les plus précieux, voire toxiques, sont simplement éliminés. Avec une prévision de production de 80 millions de tonnes métriques de déchets de panneaux solaires d'ici 2050, il s'agit d'un énorme problème de déchets.

Les cellules solaires à base de polymères sont une solution possible, moins coûteuse. De tels panneaux sont minces et flexibles, et sont donc en principe assez polyvalents. Néanmoins, ils ont certains problèmes; par exemple, une efficacité de conversion de puissance inférieure à celle du silicium. "Cette efficacité est considérablement limitée par les facteurs de remplissage :généralement moins de 60 %, même dans les appareils avancés", explique l'auteur correspondant Hiroaki Benten de l'Institut des sciences et technologies de Nara. "La science qui sous-tend l'efficacité limitée des cellules solaires à mélange entièrement polymère reste insuffisamment inexplorée."

Un résultat révolutionnaire de ces recherches est le facteur de remplissage élevé :70 %, qui reste à 60 % même pour des films polymères de plusieurs centaines de nanomètres d'épaisseur. La technologie polymère concurrente présente un facteur de remplissage de 40 % à cette épaisseur. En effet, la recombinaison bimoléculaire d'électrons libres avec des trous libres a considérablement inhibé le travail antérieur sur le facteur de remplissage, mais a été supprimée dans l'étude actuelle.

Qu'est-ce qui a supprimé la recombinaison bimoléculaire dans les mélanges de polymères ? "Il y avait une délocalisation substantielle des charges dans les domaines du donneur et de l'accepteur", explique Masakazu Nakamura, auteur principal. "L'agrégation appropriée des donneurs et accepteurs de polymère a conduit à une structure locale sensiblement ordonnée du polymère, ce qui a aidé à maintenir la séparation des électrons des trous."

Même si les chercheurs résolvent complètement le problème d'efficacité des cellules solaires tout polymère, ils devront encore améliorer la durée de vie de 10 ans des prototypes de recherche les plus avancés. Des efforts de recherche supplémentaires incluent l'optimisation de la morphologie du film, et même le développement de cellules solaires hybrides polymère/silicium, pour optimiser la collecte et l'efficacité de l'énergie. Dans les années à venir, les cellules solaires pourraient avoir une apparence et un fonctionnement complètement différents et meilleurs que la technologie moderne. + Explorer plus loin