Les cellules solaires organiques ont le potentiel de convertir la lumière du soleil en énergie électrique de manière économique et respectueuse de l'environnement. Le défi est qu'ils fonctionnent toujours moins efficacement que les semi-conducteurs inorganiques. Des mesures ultrarapides sur des cellules hybrides révèlent désormais une voie pour doubler leur efficacité.
L'utilisation du photovoltaïque organique pour la production d'électricité à partir du soleil offre une base attractive et prometteuse pour un mode d'approvisionnement énergétique innovant et respectueux de l'environnement. Ils peuvent être fabriqués de manière assez économique et, parce qu'ils sont aussi pliables qu'une pellicule plastique, ils peuvent être traités de manière flexible. Le problème est qu'elles sont pourtant nettement moins efficaces que les cellules semi-conductrices inorganiques classiques. Le processus le plus crucial dans la conversion de la lumière en courant électrique est la génération de porteurs de charge gratuits. Dans la première étape de la photoconversion, lors de l'absorption de la lumière, un composant de la cellule solaire organique, généralement un polymère, libère des électrons qui sont captés par le deuxième composant de la cellule - en l'occurrence des nanoparticules de silicium - et peuvent ensuite être transportés plus loin.
« Les mécanismes et l'échelle de temps de séparation des charges font l'objet de débats scientifiques controversés depuis de nombreuses années, ", explique le professeur de physique LMU Eberhard Riedle. En coopération avec des chercheurs de l'Université technique de Munich et de l'Université de Bayreuth, Riedle et son groupe ont maintenant pu disséquer le processus en détail. Faire cela, les chercheurs ont utilisé un nouveau type de cellule hybride contenant à la fois des constituants organiques et inorganiques, dans lequel le silicium sert d'accepteur d'électrons. Sur la base des informations obtenues avec ce système, ils ont développé une stratégie de traitement pour améliorer l'ordre structurel du polymère - et ont découvert que cela augmentait jusqu'à deux fois l'efficacité de la séparation des charges dans les semi-conducteurs organiques. Leurs découvertes offrent une nouvelle façon d'optimiser les performances des cellules solaires organiques.
La clé de cette percée réside dans un montage expérimental laser, qui combine une résolution temporelle extrêmement élevée de 40 femtosecondes (fs) avec une détection très large bande. Cela a permis à l'équipe de suivre les processus ultrarapides induits par l'absorption de photons en temps réel au fur et à mesure qu'ils se produisent. Au lieu des fullerènes utilisés dans les cellules organiques typiques, les chercheurs ont utilisé le silicium comme accepteur d'électrons, un choix qui présente deux avantages majeurs.
"D'abord, avec ces nouvelles cellules solaires hybrides, nous avons pu sonder les processus photophysiques qui se déroulent dans le polymère avec une précision plus grande que jamais, et d'autre part grâce à l'utilisation de silicium, un segment beaucoup plus large du spectre solaire peut être exploité pour l'électricité, " dit Riedle.
Il s'avère que les porteurs de charge gratuits - appelés polarons - ne sont pas générés immédiatement lors de la photoexcitation, mais avec un retard d'environ 140 fs. La photoexcitation primaire d'une molécule de polymère conduit d'abord à la formation d'un état excité, appelé un exciton. Celui-ci se dissocie alors, libérer un électron, qui est ensuite transféré à l'accepteur d'électrons. La perte d'électrons laisse des "trous" chargés positivement dans le polymère et, comme des entités de charges opposées sont attirées les unes vers les autres par la force de Coulomb, les deux ont tendance à se recombiner.
"Afin d'obtenir des transporteurs gratuits, l'électron et le trou doivent tous les deux être suffisamment mobiles pour vaincre la force de Coulomb, " explique Daniel Herrmann, le premier auteur de la nouvelle étude. L'équipe a pu montrer, pour la première fois, que cela est beaucoup plus facile à réaliser dans les polymères avec un ordre, structure régulière qu'avec des polymères disposés de manière chaotique. En d'autres termes, un degré élevé d'auto-organisation du polymère augmente considérablement l'efficacité de la séparation des charges.
« Le polymère que nous avons utilisé est l'un des rares connus à avoir tendance à s'auto-organiser. Cette tendance peut être inhibée, mais on peut aussi augmenter la propension intrinsèque du polymère à s'auto-organiser en choisissant des paramètres de transformation appropriés, " explique Herrmann. En optimisant intelligemment le traitement du polymère P3HT, les chercheurs ont réussi à doubler le rendement des porteurs de charge gratuits – et ainsi à améliorer considérablement l'efficacité de leurs cellules solaires expérimentales.
