(Phys.org) — La lumière du soleil absorbée par les cellules solaires organiques doit d'abord naviguer dans un gant à l'échelle nanométrique avant de devenir de l'électricité utilisable. Après avoir heurté le matériau absorbant la lumière de la cellule solaire, appelée couche photoactive, la lumière solaire absorbée excite les électrons, les libérant pour trouver leur chemin à travers un labyrinthe rempli de rebondissements, se tourne, impasses, et collisions. Seules les charges gratuites qui réussissent à traverser ce labyrinthe peuvent être utilisées dans un circuit comme électricité. Les scientifiques ont donc cherché des moyens de réduire les embouteillages d'électrons dans le photovoltaïque organique.

Maintenant, des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université Stony Brook ont ​​développé un moyen de cartographier le degré de « congestion du trafic » sur les autoroutes électroniques au sein de la couche photoactive. Leur nouvelle technique de mesure et de suivi utilise des modes à guidage optique - un processus de guidage de la lumière à travers des zones précises dans le plan horizontal des cellules solaires - pour aider les scientifiques à mieux comprendre comment les matériaux utilisés dans les couches photoactives influencent la vitesse et l'efficacité du voyage des électrons.

"Avec notre technique, vous pouvez maintenant mieux comprendre jusqu'où les électrons se déplacent à travers le réseau complexe de la couche photoactive, " a déclaré le physicien de Brookhaven Matthew Eisaman, chef d'équipe sur la nouvelle étude publiée en ligne dans Matériaux énergétiques avancés le 25 août, 2013. "Des études antérieures ont révélé la composition du matériau, mais notre technique éclaire l'impact de cette structure sur le transport des électrons."

Contrairement aux grandes cellules solaires à base de silicium que vous pouvez généralement voir sur les toits des maisons ou disposées dans des installations à grande échelle pour produire de l'électricité, les cellules solaires organiques ressemblent davantage à des plastiques flexibles. Les cellules organiques pourraient trouver de nombreuses applications dans la production d'électricité portable à usage commercial et militaire ou même dans ce qu'on appelle « le photovoltaïque intégré au bâtiment, " où les cellules solaires sont directement intégrées dans les fenêtres, façade, ou le toit d'un immeuble. Leurs formes flexibles peuvent être fabriquées à peu de frais en utilisant à grande échelle, fabrication rouleau à rouleau. Mais pour l'instant, ces matériaux polyvalents ne sont pas aussi efficaces que les options inorganiques.

Suivi des frais

Lorsque la lumière excite des électrons dans la couche photoactive des cellules solaires organiques, le processus crée une paire de porteurs de charge - un électron et un "trou, " l'absence d'un électron là où il existait autrefois. Pour devenir des charges libres, les paires électron-trou doivent être séparées, et cela se produit aux interfaces de deux matériaux qui composent typiquement la couche photoactive, l'un étant un accepteur d'électrons et l'autre un donneur d'électrons.

Les couches photoactives les plus couramment utilisées dans les cellules solaires organiques sont appelées hétérojonctions en vrac (BHJ), dans lequel les matériaux accepteurs et donneurs sont mélangés. Cela permet une absorption de la lumière et une extraction de charge plus efficaces car ces interfaces critiques sont présentes dans toute la cellule.

Les parties accepteur d'électrons et donneur d'électrons de la couche photoactive BHJ sont comme deux types différents de réseaux routiers au sein de la cellule solaire, Eisaman a expliqué. Les électrons voyagent le long du système routier accepteur d'électrons, qui est composé de molécules de fullerène, tandis que leurs trous correspondants se déplacent à travers le système d'autoroute des donneurs d'électrons, qui est fait d'un polymère semi-conducteur. Comprendre comment les électrons se déplacent à travers la couche photoactive BHJ a le potentiel de rendre les cellules solaires organiques plus efficaces que celles actuellement disponibles.

Pour révéler les structures internes et les interactions de ces "autoroutes BHJ, " Les scientifiques de Brookhaven Lab ont sondé les cellules solaires avec de la lumière provenant de différentes directions.

"Les cellules solaires sont comme des crêpes, plat avec une grande surface, " a déclaré Eisaman. "La lumière du soleil frappe généralement la cellule solaire par le haut et traverse ses fines couches. C'est ce qu'on appelle l'incidence normale."

Auparavant, les scientifiques observaient la couche photoactive en projetant un laser à travers le haut de la cellule solaire, semblable au soleil. Mais sonder les cellules solaires avec une incidence normale est une méthode incomplète - la lumière émise par le haut aura tendance à avoir une intensité plus élevée au sommet de la couche photoactive, diminuant à mesure qu'il est absorbé par le matériau et limitant la résolution. La nouvelle méthode développée par Eisaman et son équipe envoie la lumière horizontalement à travers le photovoltaïque plutôt que simplement par le haut.

"Les modes optiques guidés permettent un meilleur contrôle de la position de la lumière, " dit Eisaman. " La lumière se propage dans le plan de la crêpe, fournir des informations plus précises."

Les fullerènes et les polymères ne se mélangent pas uniformément dans toute la couche photoactive BHJ. Au lieu, les matériaux ont tendance à "ségréger en phase, " avec un côté riche en polymère et l'autre riche en fullerène. Cette ségrégation de phase affecte à la fois la propagation de la lumière et le passage des électrons et des trous à travers la couche. En utilisant leur image haute résolution de la couche photoactive BHJ, les scientifiques ont ensuite cartographié la façon dont les électrons se déplacent à travers la cellule solaire.

"Les électrons et les trous sont comme deux marques différentes de voitures qui circulent sur deux types d'autoroutes différents, " dit Nanditha Dissanayake, auteur principal de l'étude. "Nous voulons comprendre à quelle 'sortie' chaque voiture apparaît pour la première fois sur l'autoroute des cellules solaires, et que se passe-t-il lorsqu'ils se rendent dans une ville - ou à un contact électrique - là où se terminent les autoroutes."

La nouvelle méthode a permis à Eisaman et à son équipe d'exciter sélectivement des régions au sein de la couche photoactive BHJ afin qu'ils puissent mesurer, avec une précision et une simplicité sans précédent, la distance parcourue par les électrons.

"Avec la méthode d'incidence normale, vous créez beaucoup de voitures éparpillées quelque part entre les sorties 35 et 50, " dit Eisaman. " Mais avec notre technique de mode guidé, nous sommes en mesure de créer efficacement des voitures à exactement la sortie 60. Ainsi, nous pouvons observer combien d'entre elles ont voyagé en toute sécurité de cette sortie à la fin de l'autoroute, dessinant clairement le chemin et révélant les nids-de-poule, barrages routiers et accidents."

Ajout de Dissanayake, « Cette technique vous donne une compréhension fondamentale de la façon dont la composition au sein d'une cellule solaire affecte l'extraction de charge et l'efficacité d'un appareil. mais aussi d'autres types de photovoltaïques à base de nanomatériaux."

Les chercheurs ont utilisé des instruments du Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) du laboratoire pour fabriquer les cellules solaires et caractériser leurs propriétés matérielles. Ils ont également effectué des mesures précises sur la ségrégation de phase à l'aide de la source de lumière synchrotron nationale (NSLS) de Brookhaven.

« Les capacités complémentaires des nouvelles techniques optoélectroniques en cours de développement dans notre laboratoire et les installations de fabrication et de caractérisation des matériaux de classe mondiale de CFN font de Brookhaven un endroit idéal pour effectuer ce travail, " a déclaré Eisaman.

« Cette technique est au cœur de notre stratégie de construction de capacités nouvelles et uniques pour la caractérisation de dispositifs photovoltaïques, " a déclaré Patrick Looney, président du département des technologies de l'énergie durable au Brookhaven Lab, où travaille Eisaman.

L'article s'intitule "Mapping Spatially Resolved Charge Collection Probability in Bulk Heterojunction Photovoltaics".