Les cellules solaires basées sur des molécules organiques offrent des avantages potentiels par rapport aux dispositifs conventionnels de conversion de la lumière en électricité. Ces cellules solaires organiques pourraient être peu coûteuses, durables et faciles à fabriquer. Cependant, les cellules organiques n'ont pas encore les performances qui correspondent aux appareils conventionnels. Les efforts des scientifiques pour améliorer les performances ont été limités par leur compréhension limitée de la façon dont les électrons excités par la lumière (ou "photoexcités") deviennent des "porteurs libres".

En principe, les porteurs libres traversent un matériau et émergent sous forme de courant électrique. Des études scientifiques antérieures suggèrent que la photoexcitation conduit à une paire étroitement liée constituée d'un électron et d'un trou. Ces études n'ont pas décrit comment surmonter les fortes forces de liaison pour former des porteurs libres. Cette nouvelle étude révèle que davantage de sites sur des molécules voisines peuvent accepter des électrons, expliquant comment les porteurs libres se forment directement.

Publié dans Materials Horizons , cette recherche a développé un nouveau modèle appelé Distribution Range Electron Transfer (DRET). Les modèles précédents pour la génération de porteurs libres dans les cellules solaires organiques ont généralement invoqué de nouveaux phénomènes physiques pour expliquer les résultats expérimentaux. En particulier, ils ont déclaré que des porteurs libres peuvent se former avec une efficacité proche de 100 % dans un matériau où les charges opposées sont traditionnellement difficiles à séparer et à utiliser.

Dans cette nouvelle étude, les scientifiques proposent une alternative plus simple utilisant des concepts bien établis. Ils s'appuient sur un modèle simple de processus qui transfèrent des électrons dans les molécules, connu sous le nom de théorie de Marcus, un modèle pour lequel Rudy Marcus a reçu un prix Nobel en 1992. Le nouveau modèle DRET pourrait ouvrir de nouvelles voies vers des cellules solaires organiques efficaces.

Développé par des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), le nouveau modèle explique la génération de porteurs libres dans les cellules solaires organiques à l'aide de concepts établis, notamment la théorie de Marcus pour le transfert d'électrons, combinés à une prise en compte de l'entropie associée à l'interface de transfert de charge et à la possibilité d'événements de transfert à longue distance. Le modèle montre que les règles de conception existantes pour les processus de transfert d'électrons en phase solution peuvent être appliquées aux systèmes photovoltaïques organiques.

Ces règles incluent, premièrement, que la force motrice est calculée en utilisant le terme d'énergie bien connu de Gibbs. Deuxièmement, que le rôle de l'énergie de réorganisation soit identifié. Troisièmement, les facteurs qui contrôlent la dépendance à la distance du couplage électronique sont identifiés.

Le modèle correspond aux données expérimentales recueillies à l'aide d'expériences de conductivité micro-ondes résolues dans le temps pour cartographier les régimes normaux, optimaux et inversés pour l'efficacité de la génération de porteurs libres. L'accord qualitatif avec les comportements observés depuis longtemps dans les dispositifs photovoltaïques organiques fournit une plate-forme unifiée pour comprendre les produits du transfert d'électrons photoinduits dans les systèmes en solution et en phase solide. L'intégration de ce nouveau modèle qui capture efficacement la nature moléculaire discrète des composants constituant la structure hiérarchique des cellules solaires organiques peut permettre aux chercheurs de développer des matériaux pour des processus de génération de charge plus efficaces. + Explorer plus loin

Des chercheurs observent la région inversée de Marcus de transfert de charge à partir de matériaux semi-conducteurs de faible dimension