Booster les cellules solaires latérales – Advanced Science News

Une nouvelle approche de conception et un matériau organique spécialisé contribuent à améliorer l’efficacité des cellules solaires latérales, transformant la production d’énergie de son côté.

L’énergie solaire est considérée comme l’une des principales sources d’énergie bon marché et renouvelable, et un outil essentiel pour aider à atténuer la crise climatique en cours. La méthode la plus largement utilisée pour convertir l’énergie solaire en électricité consiste à utiliser des cellules solaires, qui génèrent un courant électrique lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil. Le développement de cellules solaires bon marché, fiables et efficaces est donc d’une importance capitale pour la transition des combustibles fossiles vers cette forme d’énergie propre.

Les cellules solaires conventionnelles sont généralement fabriquées à l’aide de divers semi-conducteurs, des matériaux conçus pour gérer et contrôler le flux de courant électrique dans les appareils électroniques. Les semi-conducteurs organiques, des matériaux composés principalement d’atomes de carbone, sont si populaires dans ce domaine car ils sont abondants dans la nature, abordables pour être traités à l’échelle industrielle, et les cellules solaires qui en résultent sont flexibles et transparentes.

Cependant, le problème est que leur efficacité, en particulier la vitesse à laquelle ils convertissent la lumière solaire entrante en énergie utilisable, est limitée. De plus, la plupart des molécules organiques ne peuvent générer de l’électricité que lorsqu’elles sont exposées à la lumière de certaines longueurs d’onde, ce qui signifie que pour utiliser l’ensemble du spectre solaire, qui comprend le rayonnement infrarouge et ultraviolet en plus de la lumière visible, les cellules solaires organiques sont généralement construites à l’aide d’un grand nombre de films différents, chacun sensible à une fraction du spectre de rayonnement solaire.

“Les cellules photovoltaïques organiques conventionnelles ont une structure en sandwich, c’est-à-dire que les films organiques générant le courant par la lumière du soleil sont pris en sandwich verticalement entre deux électrodes”, a expliqué Masahiro Hiramoto, professeur aux Instituts nationaux des sciences naturelles et à l’Université de hautes études supérieures. au Japon. “À savoir, sur le substrat en verre, l’électrode transparente, les films organiques et la contre-électrode métallique sont déposés séquentiellement dans le sens vertical. Ainsi, le courant généré par la lumière circule dans le sens vertical par rapport à la surface du substrat.

Comme différents semi-conducteurs organiques réagissent différemment à la lumière du soleil, il y a un impact négatif sur la conception et la taille du «sandwich», qui constitue ce qu’on appelle une cellule solaire en tandem.

“Dans le cas des cellules organiques verticales conventionnelles, il existe une limitation stricte pour la combinaison de plusieurs matériaux car l’amplitude du courant généré par chacune des différentes couches organiques doit être égale”, a déclaré Hiramoto. “Il s’agit d’une restriction sévère pour la fabrication de cellules en tandem.”

Une approche latérale

Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont conçu un nouveau type de cellule solaire avec un agencement d’électrodes différent par rapport au film sandwich, supprimant toute restriction sur le courant traversant chaque film. Cette nouvelle conception a été surnommée la cellule solaire latérale car le courant passe maintenant horizontalement au lieu de verticalement.

“Les cellules photovoltaïques organiques latérales ont deux électrodes, qui sont déposées sur les bords droit et gauche du film organique”, a expliqué Hiramoto. «Ainsi, le courant généré par la lumière dans le film organique circule dans le sens latéral par rapport à la surface du substrat. Cela signifie qu’un nombre infini de couches organiques peuvent être empilées librement sans limitation dans le but d’utiliser tout le spectre solaire. C’est un rêve pour les scientifiques des cellules solaires.

Bien que cet agencement d’électrodes permette un courant différent dans chaque film, il présente encore certains inconvénients que l’équipe a abordés dans leur étude Publié dans physique du solide a. Typiquement, l’épaisseur du film est de l’ordre du nanomètre avec une longueur de quelques millimètres (parfois centimètres). Par conséquent, les électrons mis en mouvement par la lumière entrante doivent parcourir une distance beaucoup plus grande pour atteindre les électrodes dans les cellules solaires latérales par rapport aux cellules verticales conventionnelles.

Cette différence de distance rend la cellule plus sensible à la concentration d’électrons et à des propriétés du matériau telles que la mobilité des électrons ou la vitesse à laquelle ils se déplacent à travers le film.

“La distance possible de circulation du courant dans les films organiques a été limitée à plusieurs centaines de nanomètres en raison de leur faible mobilité”, a ajouté Hiramoto. « Nous ne pouvions donc fabriquer que des cellules verticales puisque la distance de passage du courant est égale à l’épaisseur du film (distance entre deux électrodes), c’est-à-dire inférieure à 1 micromètre. Cependant, depuis que des matériaux organiques ayant une très grande mobilité ont été récemment développés, la distance possible de circulation du courant dans les films organiques a augmenté de l’ordre du millimètre. Ainsi, la cellule solaire organique latérale devient désormais plus facile à fabriquer.

Le dopage pour gagner en efficacité

Afin d’améliorer les conceptions de cellules solaires latérales existantes, Hiramoto et ses collègues ont délibérément ajouté des impuretés aux matériaux organiques, un processus appelé dopage. Les interactions entre le semi-conducteur et les impuretés intentionnelles conduisent à une augmentation du nombre d’électrons libres pouvant être utilisés pour générer un courant électrique.

Les scientifiques ont travaillé avec un sandwich composé de deux films de semi-conducteurs organiques de 100 nanomètres d’épaisseur appelés C8-BTBT et PTCDI-C8. Le premier était dopé avec des molécules de F₄TCNQ, et ce dernier avec Cs₂CO₃qui sont de bons donneurs d’électrons.

“Le dopage, c’est-à-dire l’ajout de la petite quantité d’impuretés qui donnent ou acceptent les électrons des couches organiques, entraîne des couches organiques riches et pauvres en électrons”, a expliqué Hiramoto. “En conséquence, la génération de courant est améliorée et les performances des couches organiques. la cellule solaire est améliorée.

Les chercheurs ont expérimenté la quantité d’impuretés ajoutées aux films organiques et ont étudié leur effet sur la génération de courant. En conséquence, ils ont trouvé des niveaux de dopage optimaux qui ont presque doublé le courant électrique généré par la lumière incidente dans leurs cellules solaires latérales.

Les cellules solaires de preuve de concept ne mesuraient qu’une fraction de millimètre, et davantage de travail est nécessaire avant que cela puisse être mis à l’échelle et mis en pratique. Cependant, les scientifiques disent qu’ils espèrent que les progrès de la science des matériaux rendront cela possible dans les années à venir.

« Les progrès dans le domaine du bio [compounds] est si rapide », a déclaré Hiramoto. “Beaucoup de bio à haute mobilité [materials], qui permet le passage du courant au-dessus d’une distance d’ordre centimétrique, serait développé d’ici 10 ans. Après cela, la nouvelle cellule solaire organique actuelle pourrait être mise en pratique.

Référence : Jaseela Palassery Ithikkal, Seiichiro Izawa, Masahiro Hiramoto, Cellules photovoltaïques organiques latérales dopéesétat physique solidi a (2023), DOI : 10.1002/pssa.202300108

Crédit image caractéristique : PublicDomainPictures sur Pixabay