Percée dans la compréhension du transport de charges dans les cellules solaires organiques
Des chercheurs révèlent le paysage des défauts électroniques dans les cellules solaires organiques et décrivent pour la première fois leur densité d'états à l'aide d'une loi de puissance
Des chercheurs de la chaire d'optique et de photonique de la matière condensée (dirigée par le professeur Carsten Deibel) de l'université de technologie de Chemnitz et d'autres institutions partenaires travaillent actuellement de manière intensive sur des cellules solaires composées de nouveaux semi-conducteurs organiques, qui peuvent être fabriqués à l'aide de méthodes d'impression ou d'évaporation thermique établies. Afin de mieux comprendre et de développer cette catégorie de matériaux photovoltaïques, les chercheurs adoptent une approche fortement interdisciplinaire et coopèrent dans le cadre de l'unité de recherche "Printed & Stable Organic Photovoltaics from Non-fullerene Acceptors - POPULAR", financée par la Fondation allemande de la recherche, et du réseau doctoral Marie-Skłodowska-Curie EIFFEL, financé par l'Union européenne. Ici, l'expertise de la chimie et de la science des matériaux, ainsi que de la physique et des mathématiques, est combinée à la technologie de l'impression. "En ce qui concerne le développement d'énergies renouvelables économes en ressources, la recherche sur les photovoltaïques organiques est extrêmement pertinente, car ils peuvent être traités à haut débit à température ambiante", explique M. Deibel, qui est également à la tête du groupe de recherche POPULAR.
Maria Saladina, assistante de recherche à la chaire d'optique et de photonique de la matière condensée de l'université de technologie de Chemnitz, caractérise des cellules solaires organiques dans un laboratoire de l'institut de physique.
Jacob Müller
"Les semi-conducteurs organiques sont de très bons absorbeurs de lumière, de sorte que la couche absorbant la lumière dans les cellules solaires est 1 000 fois plus fine que dans les cellules solaires en silicium cristallin", explique le professeur de physique de Chemnitz. Contrairement à ces dernières, les cellules solaires organiques ne sont pas très ordonnées, mais désordonnées. "Pour le transport des électrons et des trous générés dans les semi-conducteurs organiques par la lumière du soleil, cela signifie qu'ils ne se déplacent pas sur une autoroute, mais sur une route cahoteuse avec de nombreux pièges qui capturent les électrons ou les trous et conduisent à un flux de courant plus lent, mais pas plus faible", explique M. Deibel. La densité d'états est une façon de décrire ce paysage énergétique.
Une découverte surprenante : La loi de puissance décrit la densité d'états des cellules solaires organiques.
Pour mieux comprendre le transport des charges dans les cellules solaires organiques, M. Deibel et son assistante de recherche Maria Saladina, ainsi que des collègues de l'université de Nuremberg-Erlangen, de l'institut Helmholtz d'Erlangen-Nuremberg pour les énergies renouvelables et de Heliatek GmbH à Dresde, ont fabriqué différents types de cellules solaires organiques, les ont analysées et, pour la première fois, ont mis en évidence le paysage des défauts électroniques. C'est le résultat de mesures sensibles de la tension en circuit ouvert des cellules solaires organiques - la tension générée lorsqu'il n'y a pas de courant et qui mesure la quantité d'énergie des électrons et des trous photogénérés. Les mesures ont été effectuées dans une large gamme d'intensités lumineuses et de températures. L'évaluation des données a montré que la densité d'états des cellules solaires organiques a une forme qui ne peut pas être décrite - comme on le supposait auparavant - par une distribution gaussienne ou exponentielle, mais par une loi de puissance. "Cela signifie que, contrairement aux anciens modèles, les petites tensions de circuit ouvert dans les cellules solaires se situent dans une plage énergétique où il y a plus de pièges. Heureusement, dans les conditions de fonctionnement des cellules solaires organiques à température ambiante sous irradiation solaire, la tension en circuit ouvert est plus élevée et la densité d'états contient moins de pièges", explique M. Saladina.
La publication dans la revue Physical Review Letters a été récompensée par une suggestion de la rédaction
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Physical Review Letters (130, 236403 (2023)) et le manuscrit a été sélectionné comme suggestion des rédacteurs. Bien que la description théorique des cellules solaires organiques doive être reconsidérée en raison de ces nouvelles connaissances, les auteurs de l'article technique estiment qu'il n'y a pas d'obstacle fondamental à la production de cellules solaires organiques hautement efficaces à l'aide des technologies d'impression ou d'évaporation. "Nous sommes convaincus que la nature désordonnée des semi-conducteurs organiques pour les cellules solaires est directement liée aux possibilités de fabrication compatibles avec la production de masse", déclare M. Deibel. Saladina ajoute : "Nous avons réalisé que la densité d'états, qui détermine les processus de transport de charge et de recombinaison dans les cellules solaires organiques, est plus complexe qu'on ne le pensait auparavant. L'unité de recherche POPULAR de la DFG et le réseau doctoral Marie-Skłodowska-Curie EIFFEL devront également relever les défis qui en découlent.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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