Poids léger, des cellules solaires organiques souples et semi-transparentes (ici sur lame de verre à des fins de recherche) sont préparées à partir de solution et à température ambiante. Crédit :Crédit :TU München
Les nanoparticules magnétiques peuvent augmenter les performances des cellules solaires fabriquées à partir de polymères - à condition que le mélange soit correct. C'est le résultat d'une étude aux rayons X à la source de rayonnement synchrotron PETRA III de DESY. L'ajout d'environ un pour cent de ces nanoparticules en poids rend les cellules solaires plus efficaces, selon les conclusions d'une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Peter Müller-Buschbaum de l'Université technique de Munich. Ils présentent leur étude dans l'un des prochains numéros de la revue Matériaux énergétiques avancés (publié en ligne à l'avance).
Polymère, ou bio, les cellules solaires offrent un potentiel énorme :elles sont peu coûteuses, flexible et extrêmement polyvalent. Leur inconvénient par rapport aux cellules solaires au silicium établies est leur efficacité moindre. Typiquement, ils ne convertissent que quelques pour cent de la lumière incidente en énergie électrique. Néanmoins, les cellules solaires organiques sont déjà économiquement viables dans de nombreuses situations, et les scientifiques recherchent de nouvelles façons d'accroître leur efficacité.
Une méthode prometteuse est l'ajout de nanoparticules. Cela a été montré, par exemple, que les nanoparticules d'or absorbent la lumière solaire supplémentaire, qui à son tour produit des porteurs de charge électrique supplémentaires lorsque l'énergie est à nouveau libérée par les particules d'or.
L'équipe de Müller-Buschbaum a adopté une approche différente, toutefois. "La lumière crée des paires de porteurs de charge dans la cellule solaire, constitué d'un électron chargé négativement et d'un trou chargé positivement, qui est un site où il manque un électron, " explique le principal auteur de la présente étude, Daniel Moseguí González du groupe de Müller-Buschbaum. "L'art de fabriquer une cellule solaire organique consiste à séparer cette paire électron-trou avant qu'elle ne puisse se recombiner. S'ils l'ont fait, la charge produite serait perdue. Nous cherchions des moyens de prolonger la durée de vie de la paire électron-trou, ce qui nous permettrait d'en séparer davantage et de les diriger vers des électrodes opposées. »
Les structures cristallines dans les cellules solaires polymères provoquent des motifs de diffraction caractéristiques dans les expériences avec le rayonnement synchrotron. Crédit :Crédit :TU München
Cette stratégie utilise un principe de physique quantique qui stipule que les électrons ont une sorte de rotation interne, connu sous le nom de rotation. Selon les lois de la physique quantique, ce spin a une valeur de 1/2. Le trou chargé positivement a également un spin de 1/2. Les deux tours peuvent soit s'additionner, s'ils sont dans le même sens, ou s'annulent s'ils sont dans des directions opposées. La paire électron-trou peut donc avoir un spin global de 0 ou 1. Les paires avec un spin de 1 existent plus longtemps que celles avec un spin global de 0.
Les chercheurs ont cherché un matériau capable de convertir l'état de spin 0 en un état de spin 1. Cela nécessitait des nanoparticules d'éléments lourds, qui inversent le spin de l'électron ou du trou de sorte que les spins des deux particules soient alignés dans la même direction. La magnétite d'oxyde de fer (Fe3O4) est en fait capable de faire exactement cela. « Dans notre expérience, l'ajout de nanoparticules de magnétite au substrat a augmenté l'efficacité des cellules solaires jusqu'à 11 %, " rapporte Moseguí González. La durée de vie de la paire électron-trou est considérablement prolongée.
L'ajout de nanoparticules est une opération de routine qui peut être facilement réalisée au cours des différents procédés de fabrication de cellules solaires organiques. C'est important, cependant, ne pas ajouter trop de nanoparticules à la cellule solaire, parce que la structure interne des cellules solaires organiques est finement ajustée pour optimiser la distance entre les capteurs de lumière, matières actives, afin que les paires de porteurs de charge puissent être séparées le plus efficacement possible. Ces structures sont comprises entre 10 et 100 nanomètres.
"L'enquête aux rayons X montre que si vous mélangez un grand nombre de nanoparticules dans le matériau utilisé pour fabriquer la cellule solaire, vous changez sa structure", explique le co-auteur Dr. Stephan Roth, tête de la ligne de faisceau P03 de DESY à PETRA III, où les expériences ont été menées. "La cellule solaire que nous avons examinée tolérera des niveaux de dopage de nanoparticules de magnétite allant jusqu'à 1% en masse sans changer leur structure."
Les scientifiques ont observé l'effet le plus important lorsqu'ils ont dopé le substrat avec 0,6 % de nanoparticules en poids. Cela a fait passer l'efficacité de la cellule solaire polymère examinée de 3,05 à 3,37 pour cent. « Une augmentation de 11 % du rendement énergétique peut être cruciale pour rendre un matériau économiquement viable pour une application particulière, " souligne Müller-Buschbaum.
Les chercheurs pensent qu'il sera également possible d'augmenter l'efficacité d'autres cellules solaires polymères en les dopant avec des nanoparticules. « La combinaison de polymères hautes performances avec des nanoparticules promet d'autres augmentations de l'efficacité des cellules solaires organiques à l'avenir. Cependant, sans examen détaillé, comme celle utilisant les rayons X émis par un synchrotron, il serait impossible d'acquérir une compréhension fondamentale des processus sous-jacents impliqués, " conclut Müller-Buschbaum.
