Une fonction d'onde électronique, indiqué par l'ombrage orange, se propage à travers plusieurs molécules de fullerène nanocristallines dans cette représentation d'une hétérojonction de cellule solaire organique. Crédit :Université d'État de Pennsylvanie
L'objectif de fabriquer des cellules solaires organiques bon marché est peut-être devenu un peu plus accessible avec une nouvelle compréhension de la science fondamentale de la séparation des charges présentée dans un article publié en ligne aujourd'hui, 3 février dans Communication Nature . Co-écrit par l'ingénieur électricien de Penn State Noel Giebink avec l'auteur principal Bethany Bernardo, un étudiant de premier cycle dans son groupe, et collègues de l'IMEC en Belgique, Laboratoire national d'Argonne, Nord-ouest, et Princeton, l'article suggère des règles de conception pour fabriquer des cellules solaires plus efficaces à l'avenir.
Les cellules solaires organiques ont actuellement une efficacité maximale d'environ 10 pour cent en laboratoire, beaucoup moins que le silicium monocristallin inorganique. L'un des défis pour réaliser des cellules organiques efficaces réside dans la séparation des paires fortement liées constituées d'un électron chargé négativement et de son trou chargé positivement qui résultent de l'absorption de la lumière, collectivement appelés excitons. L'électron et le trou doivent être séparés pour faire un courant.
La façon dont cela est fait est de créer une hétérojonction, qui est deux semi-conducteurs organiques différents l'un à côté de l'autre, dont l'un aime abandonner un électron et l'autre qui accepte l'électron, divisant ainsi l'exciton d'origine en un électron et un trou résidant sur les molécules voisines. Une question de longue date dans le domaine, cependant, C'est ainsi que l'électron et le trou voisins, encore fortement attirés l'un vers l'autre à ce stade, parviennent à se séparer complètement afin de générer du courant avec l'efficacité observée dans la plupart des cellules solaires.
Au cours des dernières années, une nouvelle perspective a proposé que l'efficacité de séparation élevée repose sur un effet quantique - l'électron ou le trou peut exister dans un état ondulatoire réparti sur plusieurs molécules proches en même temps. Lorsque la fonction d'onde de l'un des porteurs s'effondre à un endroit suffisamment éloigné de son partenaire, les charges peuvent se séparer plus facilement. Les travaux de Giebink et de ses collègues fournissent de nouvelles preuves convaincantes pour étayer cette interprétation et identifier la nanocristallinité du matériau accepteur commun constitué de C
Cet ordre cristallin local semble être essentiel à la génération efficace de photocourants dans les cellules solaires organiques, dit Giebink. "Un point de vue commun dans la communauté est qu'il faut un tas d'excès d'énergie pour briser l'exciton, ce qui signifiait qu'il devait y avoir une grande différence de niveau d'énergie entre les matériaux donneur et accepteur. Mais ce grand décalage énergétique réduit la tension de la cellule solaire. Notre travail dissipe ce compromis perçu à la lumière de l'impact que la délocalisation de la fonction d'onde et la cristallinité locale ont sur le processus de séparation des charges. Ce résultat devrait aider les gens à concevoir de nouvelles molécules et à optimiser les morphologies des donneurs et des accepteurs qui aident à augmenter la tension des cellules solaires sans sacrifier le courant. »
L'équipe a utilisé diverses techniques de spectroscopie de luminescence et d'électroabsorption ainsi que la diffraction des rayons X pour parvenir à leur conclusion. leurs résultats, détaillé dans l'article intitulé "Delocalisation and dielectric screening of charge transfer states in organic photovoltaic cells, " will provide other groups with a better understanding of charge separation as they design and model more efficient organic solar cells.
