Voici une représentation schématique de la couche active de la cellule solaire polymère :Les points oranges représentent les domaines actifs où la lumière est convertie en porteurs de charge. Crédit :Université technique de Munich
Avec l'aide de la source lumineuse à rayons X PETRA III de DESY, les chercheurs de la Technische Universität München ont, pour la première fois, regardé les cellules solaires organiques se dégrader en temps réel. Ces travaux pourraient ouvrir de nouvelles approches pour augmenter la stabilité de ce type de cellule solaire très prometteur. L'équipe dirigée par le professeur Peter Müller-Buschbaum de la Technische Universität München (Université technique de Munich) présente ses observations dans le numéro de cette semaine de la revue scientifique Matériaux avancés .
Cellules solaires organiques, en particulier ceux à base de polymères sont peu coûteux à produire à grande échelle. Grâce à leur souplesse physique, ils peuvent ouvrir de nouvelles applications du photovoltaïque impossibles aujourd'hui. De plus, ils peuvent convertir la lumière en électricité avec un rendement de plus de dix pour cent et pourraient contribuer de manière significative à une alimentation électrique à grande échelle basée sur des sources renouvelables. Cependant, l'efficacité des cellules solaires organiques diminue encore rapidement et leur durée de vie est plus courte que les cellules au silicium conventionnelles.
A la station de mesure P03 de la source lumineuse PETRA III de DESY, des scientifiques ont fait les premières observations en direct de la dégradation des cellules solaires organiques en fonctionnement. Pour faire ça, ils ont allumé un échantillon de cellule solaire polymère à l'aide d'un simulateur solaire, qui émet une lumière qui correspond au spectre et à l'intensité de la lumière solaire, et enregistré les caractéristiques électriques de la cellule au fil du temps. À des intervalles allant de quelques minutes à une heure, les chercheurs ont également examiné l'intérieur de la cellule solaire à l'aide du faisceau de rayons X fortement focalisé de PETRA III. Ils ont ainsi pu observer l'évolution de la structure intérieure de la couche active de la cellule solaire en sept heures, tandis que l'efficacité de la cellule a diminué d'environ 25 pour cent.
L'électricité est générée dans la couche active au niveau de ce que l'on appelle des domaines actifs dans ces cellules solaires. Ici, la lumière est absorbée et les porteurs de charge sont libérés. Le diamètre de ces domaines actifs a augmenté de 17 % au cours de l'étude, d'environ 70 à plus de 80 nanomètres. À la fois, la distance moyenne entre eux a augmenté de 19 %, passant de 310 nanomètres à environ 370 nanomètres, comme l'ont montré les mesures aux rayons X.
L'échantillon de cellule solaire polymère avait une longueur de bord de 10 millimètres. Crédit :TU München
"Cela suggère qu'en cours d'exploitation les petits sites disparaissent définitivement au profit de plus grands, " explique le premier auteur Christoph Schaffer, qui est doctorant dans le groupe de Müller-Buschbaum. "Bien que les domaines grandissent, ils s'éloignent aussi l'un de l'autre, cela signifie que leur surface active totale diminue. Cela peut expliquer précisément la baisse d'efficacité observée."
"L'examen a expliqué pour la première fois le mécanisme de dégradation. C'est un premier pas, " déclare le co-auteur Dr Stephan Roth, le scientifique DESY responsable de la station de mesure P03. « La prochaine étape consiste à tenter de réduire ou de contrôler cette croissance de manière ciblée, par exemple, par l'ajout de substances appropriées. On pourrait concevoir que des cellules solaires polymères soient produites avec une structure interne dans laquelle les sites actifs se développent à leur taille optimale pendant les premières heures de fonctionnement, " ajoute Müller-Buschbaum. "La conséquence de telles mesures pourrait être que les cellules produites industriellement franchissent enfin le seuil d'efficacité économiquement crucial également pour un fonctionnement à long terme, ", souligne Roth.
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY est le premier centre allemand d'accélérateurs et l'un des premiers au monde. DESY est membre de l'Association Helmholtz et reçoit son financement du ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) (90 %) et des Länder allemands de Hambourg et de Brandebourg (10 %). Sur ses sites de Hambourg et Zeuthen près de Berlin, DESY se développe, construit et exploite de grands accélérateurs de particules, et les utilise pour étudier la structure de la matière. La combinaison de la science des photons et de la physique des particules de DESY est unique en Europe.
