Relation entre la limite théorique du rendement de conversion photoélectrique des cellules solaires et l'énergie lumineuse minimale pouvant être absorbée par les cellules solaires (front d'absorption optique) lorsqu'il y a une perte d'énergie de 0,4 eV lors de la séparation des charges. La ligne rouge montre la limite théorique des cellules solaires inorganiques, et la ligne bleue montre la nouvelle limite théorique des cellules solaires organiques.
Les chercheurs de l'AIST ont calculé la limite théorique de l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques, qui ont attiré l'attention en tant que nouvelle génération de cellules solaires.
La limite théorique du rendement de conversion photoélectrique est connue pour les cellules solaires inorganiques. En modifiant la théorie des cellules solaires inorganiques pour prendre en compte les différences de mécanismes de production de charges après absorption lumineuse, une limite théorique de l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques a été calculée. Les résultats devraient servir de guides pour améliorer l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques. Les résultats seront publiés prochainement dans la version en ligne de Lettres de physique appliquée , un journal de l'Institut américain de physique.
Les cellules solaires organiques sont légères, mince, et doux en raison des caractéristiques des matériaux organiques. Ils représentent une nouvelle génération de cellules solaires capables de générer de l'énergie dans des endroits où il était auparavant difficile d'installer des cellules solaires. Bien que les matériaux soient généralement peu coûteux, l'amélioration de l'efficacité et de la durabilité de la conversion photoélectrique a été techniquement difficile. Cependant, dans les années récentes, le rendement de conversion photoélectrique s'est rapidement amélioré, avec un rendement de conversion supérieur à 10 %. Le rendement est aussi élevé que celui des cellules solaires au silicium amorphe. L'augmentation rapide de l'efficacité de conversion photoélectrique a suscité un intérêt quant à l'amélioration de l'efficacité de conversion des cellules solaires organiques. En 1961, Shockley et Queisser ont montré que la limite théorique du rendement de conversion photoélectrique pour les cellules solaires comprenant des semi-conducteurs inorganiques était d'environ 30 %. Comme l'efficacité réelle de ces cellules solaires approche maintenant de cette valeur, les récents efforts de recherche et de développement pour les cellules solaires inorganiques se concentrent sur l'amélioration de l'efficacité grâce à l'introduction de structures telles que les cellules solaires à jonctions multiples et les cellules solaires à concentration qui n'étaient pas prises en compte dans la théorie de Shockley et Queisser. Pendant ce temps, le rendement de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques a rapidement augmenté au niveau où il est maintenant souhaitable de calculer une limite de rendement, comme Shockley et Queisser l'ont fait pour les cellules solaires inorganiques.
Figure 1 :Schéma de principe du mécanisme de séparation des charges dans une cellule solaire organique :La lumière est généralement absorbée par une molécule organique (donneur) qui tend à former un ion positif. Un électron dans le donneur forme un exciton par absorption lumineuse. Ensuite, une séparation des charges se produit. Par conséquent, le donneur devient un ion positif et l'accepteur devient un ion négatif. Dans ce processus, l'électron perd l'excès d'énergie nécessaire à la séparation des charges (ΔE
Chercheurs de l'AIST de divers domaines, notamment du Centre de Recherche en Technologies Photovoltaïques, a mené des activités de recherche et de développement interdisciplinaires pour améliorer l'efficacité et la durabilité des cellules solaires organiques ; ces chercheurs sont issus des domaines de l'Environnement et de l'Energie, Métrologie et science de la mesure, et nanotechnologie, Matériaux et fabrication. Le Comité d'Etude de la Limite des Cellules Solaires Organiques, initié par Leader Yoshida et composé de chercheurs de l'AIST de divers domaines, a mené cette étude sur la limite théorique du rendement de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques.
L'efficacité de conversion photoélectrique d'une cellule solaire est limitée par des facteurs tels que la bande interdite du semi-conducteur, dissipation sous forme de chaleur, et la recombinaison des charges électriques. La lumière dont l'énergie est inférieure à la bande interdite n'est pas absorbée et ne contribue pas à la production d'électricité. La lumière avec une énergie supérieure à la bande interdite devient de la chaleur et se dissipe, provoquant une baisse de tension. Si les charges générées par la lumière sont perdues par recombinaison au moment où elle atteint les électrodes, le courant électrique est diminué. Tous ces facteurs diminuent la puissance électrique de la cellule solaire. Compte tenu de ces facteurs, une limite théorique de l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires inorganiques a été montrée en 1961 par Shockley et Queisser ( J. Appl. Physique . vol. 32, p.510 [1961]).
Figure 2 :Relation entre la limite théorique du rendement de conversion photoélectrique et la valeur minimale d'énergie lumineuse pouvant être absorbée (front d'absorption optique) par une cellule solaire organique multijonction lorsque l'excès d'énergie nécessaire à la séparation des charges est de 0,4 eV. On suppose que deux cellules solaires avec une différence d'énergie de bord optique de 0,4 eV sont connectées en série. La ligne rouge représente la limite théorique conventionnelle des cellules solaires inorganiques à simple jonction, la ligne bleue représente la limite théorique des cellules solaires organiques à simple jonction, et la ligne noire représente la limite théorique des cellules solaires organiques multijonctions.
La limite théorique de l'efficacité de conversion photoélectrique a été calculée sur la base de semi-conducteurs inorganiques et était considérée comme invalide pour les cellules solaires organiques. Dans les substances organiques, L'attraction coulombienne entre les charges positives et négatives est forte et produit des paires liées appelées excitons après absorption de la lumière. L'énergie de liaison coulombienne des excitons dans les substances organiques est estimée au moins 10 fois supérieure à l'énergie thermique à température ambiante. Parce que la séparation des charges des excitons dans une seule substance organique est insuffisante, une cellule solaire organique comprend deux types de substances :une substance organique qui a tendance à former des ions positifs et une substance organique qui a tendance à former des ions négatifs. A l'interface entre ces substances, les charges des excitons sont séparées. La présente recherche s'est concentrée sur la présence de l'excès d'énergie nécessaire à la séparation des charges dans les cellules solaires organiques. La méthode de la théorie de Shockley et Queisser montre que lorsque l'excès d'énergie est pris en compte, le taux de recombinaison des charges augmente, entraînant des changements de tension et de courant. En utilisant l'interaction de Coulomb dans laquelle 1 nm est la distance entre les charges positives et négatives liées et 3,5 est la valeur générale de la constante diélectrique dans les substances organiques, l'excès d'énergie requis pour la séparation des charges est calculé comme étant de 0,3 à 0,4 eV. Parce qu'il y a d'autres interactions, cette valeur est considérée comme la valeur minimale. Bien que grossièrement estimé, c'est presque la même que la valeur de l'excès d'énergie minimum donnée dans les rapports précédents. Lorsque la limite théorique de l'efficacité de conversion photoélectrique a été calculée en utilisant 0,4 eV comme énergie excédentaire requise pour la séparation des charges, la valeur maximale de 21 % a été obtenue. La longueur d'onde de la lumière absorbée à laquelle une cellule solaire organique démontre l'efficacité la plus élevée a également été déterminée à 1,5 eV (longueur d'onde de 827 nm) par des calculs théoriques, et il fournit un guide pour sélectionner une molécule organique qui absorbe la lumière (principalement donneur).
La limite de l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques à simple jonction a été calculée théoriquement à 21 % en utilisant 0,4 eV comme énergie excédentaire requise pour la séparation des charges. Cette valeur limite de 21 % est supérieure au rendement actuel de 10 % à 12 %, et cela suggère que d'autres améliorations peuvent être attendues à l'avenir en raison de la sélection des matériaux et de l'optimisation de la structure. Les chercheurs ont l'intention de découvrir les facteurs de la différence entre la limite théorique et l'efficacité réelle, et étendre les efforts de recherche et de développement pour identifier et résoudre les problèmes afin d'accroître l'efficacité.
