Matériaux et performances des appareils. Crédit : Jiang et al. (Énergie naturelle2024).
Ces dernières années, les ingénieurs ont mis au point une large gamme de solutions photovoltaïques (PV) qui pourraient faciliter la production durable d’électricité dans le monde entier. Il s’agit notamment des cellules solaires organiques (CSO), des dispositifs PV qui utilisent des molécules organiques ou des polymères pour convertir la lumière du soleil en énergie électrique.
Ces cellules solaires pourraient présenter des avantages notables, notamment une grande flexibilité, un poids plus léger et des coûts de fabrication plus faibles. Cependant, leur rendement de conversion d’énergie (PCE) reste nettement inférieur à celui des cellules solaires à base de silicium.
Des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université normale de Pékin ont récemment conçu un nouvel accepteur asymétrique non fullerène (c’est-à-dire un matériau capable d’accepter et de transporter des électrons) qui pourrait améliorer l’efficacité des cellules solaires à cellule unique. Ce matériau, présenté dans un article publié dans Énergie naturelleprésente diverses propriétés optoélectroniques avantageuses, notamment un rendement quantique de photoluminescence élevé (PLQY) et des excitons délocalisés.
« Pour les cellules solaires organiques (OSC), combler l’écart avec la limite de Shockley-Queisser nécessite simultanément de réduire la perte d’énergie pour une tension élevée en circuit ouvert, d’améliorer l’utilisation de la lumière pour une densité de courant de court-circuit améliorée et de maintenir une nanomorphologie idéale avec un facteur de remplissage élevé grâce à la conception moléculaire et à l’ingénierie des appareils », ont écrit Yuanyuan Jiang, Shaoming Sun et leurs collègues dans leur article.
« Nous concevons et synthétisons un accepteur asymétrique non fullerène (Z8) comportant des groupes phényles attachés pour établir un accepteur d’alliage dans les OSC ternaires. »
L’accepteur asymétrique non fullerène conçu par Jiang, Sun et leurs collègues est caractérisé par des chaînes latérales de substitution phényle. Ses remarquables propriétés optoélectroniques pourraient réduire les pertes d’énergie non radiatives dans les cellules solaires, tout en favorisant la génération et le transfert efficaces de charges électriques.
« La structure asymétrique minimise la perte d’énergie non radiative et la recombinaison de charge due aux excitons délocalisés », ont écrit Jiang, Sun et leurs collègues. « La chaîne latérale alkyle substituée par phényle a un impact sur les interactions intermoléculaires, améliorant la nanomorphologie du film avec une dissociation efficace des excitons et une recombinaison de charge réduite. »
Pour évaluer leurs nouveaux accepteurs, les chercheurs les ont utilisés pour fabriquer des cellules solaires à jonction unique. Les cellules solaires obtenues ont atteint des rendements très prometteurs de 20,2 % (certifiés 19,8 %), ce qui se compare favorablement aux autres cellules solaires à jonction unique développées ces dernières années.
« Grâce à des calculs théoriques, nous examinons la distribution globale des pertes de photons et de porteurs et analysons le potentiel d’amélioration de la tension en circuit ouvert, de la densité de courant de court-circuit et du facteur de remplissage, fournissant des orientations rationnelles pour le développement ultérieur des performances de l’OSC », ont écrit Jiang, Sun et leurs collègues.
Bien que les résultats obtenus par les accepteurs de l’équipe soient encourageants, ils ne sont toujours pas comparables aux rendements rapportés dans les technologies PV à base de silicium et dans diverses autres technologies non organiques. Dans leurs prochaines études, Jiang, Sun et leurs collègues prévoient de continuer à concevoir des matériaux qui pourraient aider à minimiser les pertes de photons et de porteurs dans les cellules solaires photovoltaïques.
Leurs efforts pourraient contribuer au développement de cellules solaires à cellules de plus en plus efficaces et évolutives, qui pourraient être déployées de manière réaliste dans des environnements réels. Parallèlement, leurs travaux pourraient inspirer d’autres chercheurs du secteur photovoltaïque à concevoir des accepteurs non fullerènes similaires visant à réduire les pertes de photons et de porteurs dans les cellules.
Plus d’information:
Yuanyuan Jiang et al, Accepteur non fullerène avec structure asymétrique et chaîne latérale alkyle substituée par phényle pour cellules solaires organiques à rendement de 20,2 %, Énergie naturelle (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01557-z
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Citation:Un nouvel accepteur non fullerène permet d’atteindre une efficacité de 20,2 % dans les cellules solaires organiques (2024, 2 juillet) récupéré le 2 juillet 2024 à partir de
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