Les photovoltaïques semi-transparents sont capables de convertir la lumière du soleil en électricité sans bloquer la lumière visible. Cela les rend attrayants pour les applications intégrées aux bâtiments, telles que les fenêtres, les façades et les serres.

Contrairement aux cellules traditionnelles à base de silicium, les photovoltaïques organiques peuvent être flexibles et peuvent également être conçues pour être transparentes. Pourtant, plus la cellule solaire est transparente, moins elle capte de lumière pour produire de l'électricité.

Les cellules solaires organiques reposent généralement sur une couche active appelée hétérojonction massive, composée de matériaux donneurs et accepteurs d'électrons, pour capturer et convertir la lumière du soleil. Au contact, la lumière du soleil peut exciter les électrons vers des états d'énergie plus élevés dans l'hétérojonction, ce qui crée des paires électron-trou, ou excitons, qui se détachent à l'interface donneur-accepteur.

Avec cette séparation de charges, les électrons migrent vers l’accepteur, tandis que les trous chargés positivement se déplacent vers le donneur, générant ainsi de l’électricité. Les hétérojonctions contiennent généralement des quantités égales de matériaux donneurs et accepteurs pour favoriser la récupération et la conversion de la lumière, mais les dispositifs ne sont pas transparents.

Au cours des cinq dernières années, les accepteurs non fullerènes ont produit des dispositifs à hétérojonction avec des rendements record, proches de la barre des 20 %. Cependant, des chercheurs ont récemment suggéré que les films monocomposants de l'accepteur non fullerène Y6 pourraient générer des charges sans avoir recours à une hétérojonction lorsqu'ils sont exposés à la lumière du soleil.

Inspirée par cette découverte, l'équipe dirigée par Derya Baran et le postdoctorant Anirudh Sharma ont étudié la génération de charges chez d'autres accepteurs non fullerènes. Semblables à Y6, les accepteurs, qui absorbent fortement la lumière proche infrarouge, ont produit des charges sans interface donneur-accepteur. Ils l’ont fait parce que l’exciton s’est divisé spontanément, ce qui a surpris les chercheurs. Les résultats sont publiés dans la revue Advanced Materials .

"Cela remet en question notre compréhension du fonctionnement de ces appareils et conduit à une réévaluation", déclare Sharma.

Les chercheurs ont développé des photovoltaïques organiques semi-transparents thermiquement stables en utilisant des accepteurs absorbant le proche infrarouge. Ceux-ci sont plus transparents dans la région visible, avec ou sans une quantité minimale de matériaux donneurs absorbant la lumière visible dans une hétérojonction.

En l’absence de matériel donneur, les dispositifs fonctionnaient mal en raison d’une séparation limitée des charges. L'ajout d'un donneur a amélioré la génération de charges et la migration des trous vers l'anode, améliorant ainsi l'efficacité. "Cela nous a permis de fabriquer des cellules solaires partiellement transparentes, tout en convertissant la lumière du soleil en électricité", explique Sharma.

Les modules solaires basés sur des dispositifs semi-transparents ont produit une efficacité de 5,3 % et une transmission visible de 82 %, indiquant leur haut degré de transparence.

"Nous étudions actuellement les accepteurs non fullerènes de nouvelle génération à un niveau fondamental pour comprendre leur photophysique et l'impact des couches de transport de charge sur les performances globales des dispositifs à homo-jonction", explique Sharma.