Une équipe de recherche dirigée par la North Carolina State University a mis au point une nouvelle technique pour déterminer le rôle de la structure d'un matériau sur l'efficacité des cellules solaires organiques, qui sont candidats au low-cost, l'énergie solaire de prochaine génération. Les chercheurs ont utilisé la technique pour déterminer que les matériaux avec une structure hautement organisée à l'échelle nanométrique ne sont pas plus efficaces pour créer des électrons libres que des structures mal organisées - une découverte qui aidera à orienter les futurs efforts de recherche et développement.

"Il y a eu beaucoup d'études sur l'efficacité des cellules solaires organiques, mais le processus de conversion d'énergie implique plusieurs étapes - et il est difficile d'isoler l'efficacité de chaque étape, " dit le Dr Brendan O'Connor, un professeur adjoint de génie mécanique à NC State et auteur principal d'un article sur le travail. "La technique dont nous discutons dans notre nouvel article nous permet de démêler ces variables et de nous concentrer sur une étape spécifique - l'efficacité de la dissociation des excitons."

D'une manière générale, les cellules solaires organiques convertissent la lumière en courant électrique en quatre étapes.

D'abord, la cellule absorbe la lumière du soleil, qui excite des électrons dans la couche active de la cellule. Chaque électron excité laisse un trou dans la couche active. L'électron et le trou sont appelés collectivement un exciton. Dans la deuxième étape, appelé diffusion, l'exciton sautille jusqu'à ce qu'il rencontre une interface avec un autre matériau organique dans la couche active. Lorsque l'exciton rencontre cette interface, vous obtenez la troisième étape :la dissociation. Lors de la dissociation, l'exciton se brise, libérant l'électron et le trou respectif. À l'étape quatre, appelé collecte de charges, l'électron libre se fraie un chemin à travers la couche active jusqu'à un point où il peut être récolté.

Dans les recherches précédentes sur les cellules solaires organiques, il y avait une ambiguïté quant à savoir si les différences d'efficacité étaient dues à la dissociation ou à la perception des charges – car il n'y avait pas de méthode claire pour distinguer les deux. Un matériau était-il inefficace pour dissocier les excitons en électrons libres ? Ou le matériau empêchait-il simplement les électrons libres de s'échapper ?

Pour répondre à ces questions, les chercheurs ont développé une méthode qui tire parti d'une caractéristique particulière de la lumière :si la lumière est polarisée de sorte qu'elle « coure » ​​parallèlement au grand axe des molécules organiques des cellules solaires, il sera absorbé; mais si la lumière est perpendiculaire aux molécules, il le traverse de part en part.

Les chercheurs ont créé des nanostructures hautement organisées dans une partie de la couche active d'une cellule solaire organique, ce qui signifie que les molécules dans cette partie ont toutes fonctionné de la même manière. Ils ont laissé les régions restantes de la cellule désorganisées, ce qui signifie que les molécules ont couru dans un tas de directions différentes. Cette conception a permis aux chercheurs de rendre les zones organisées de la cellule efficacement invisibles en contrôlant la polarité de la lumière dirigée vers la couche active. En d'autres termes, les chercheurs ont pu tester uniquement la section organisée ou simplement la section désorganisée, même s'ils se trouvaient sur la même couche active de la même cellule solaire.

Parce que la collecte de charge serait la même pour les deux régions (puisqu'elles étaient sur la même couche active), la technique a permis aux chercheurs de mesurer dans quelle mesure l'organisation structurelle affectait l'efficacité de dissociation du matériau.

"Nous avons constaté qu'il n'y avait pas de relation entre l'efficacité de la dissociation et l'organisation structurelle, " dit O'Connor. " C'était vraiment une surprise, et cela nous dit que nous n'avons pas besoin de nanostructures hautement ordonnées pour une génération efficace d'électrons libres.

"En termes pratiques, cette technique aidera à distinguer les pertes d'efficacité des matériaux nouvellement développés, aider à définir les caractéristiques des matériaux et des nanostructures nécessaires pour faire progresser la technologie des cellules solaires organiques. »