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Une compréhension approfondie des processus en jeu pourrait accroître l’efficacité des cellules solaires organiques

Les cellules solaires organiques présentent le potentiel pour devenir une source d’énergie renouvelable peu coûteuse et rapide à mettre en place, y compris à grande échelle. Les physiciens de l’université d’Oxford ont examiné certains des fondements scientifiques expliquant la manière dont ces cellules se forment et fonctionnent.
Une compréhension approfondie des processus en jeu pourrait accroître l’efficacité des cellules solaires organiques
L’énergie solaire représente actuellement moins de 2 % de l’électricité produite dans le monde mais pourrait apporter une contribution majeure en matière de développement durable. Parvenir à produire à plus grande échelle implique cependant de la déployer sur de larges zones. «Nous avons besoin de plusieurs milliers de kilomètres carrés pour pouvoir vraiment changer la donne dans le secteur de l’approvisionnement en énergie, donc la possibilité de changer d’échelle de production rapidement et pour un coût raisonnable est primordiale,» déclare le professeur Moritz Riede, principal chercheur de OSC Go et professeur agrégé en nanomatériaux fonctionnels légers à Oxford. «Nous aimerions pouvoir être capables de recouvrir des kilomètres carrés de cellules solaires rapidement et à bas coût.»

Or la plupart des systèmes solaires disponibles sur le marché reposent sur des semi-conducteurs de silicium non organiques. Les systèmes photovoltaïques organiques à base de carbone pourraient présenter beaucoup d’avantages: ils sont légers et flexibles, peuvent être de différentes couleurs, et sont fabriqués pour un coût modique en recourant à des processus à basse température. Malheureusement, à l’heure actuelle ils sont également bien moins efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité que les systèmes conventionnels à base de silicium.

L’équipe de OSC Go a passé ces quatre dernières années à examiner certaines des questions fondamentales portant sur la production des cellules solaires organiques (OSC) avec l’objectif d’améliorer leur performance.

Observer les dépôts

Les relations structure-propriété ont été un des axes de recherche prioritaires dans la mesure où l'organisation des molécules à l'intérieur d’une cellule solaire organique peut avoir un impact significatif sur sa performance. L’équipe a élaboré différentes méthodes pour utiliser la lumière de plusieurs longueurs d’onde, des rayons X au spectre proche de l’infrarouge, afin d’étudier comment les molécules s’organisent en couches fines. «On étudie généralement cette organisation une fois que la couche est complètement formée, une fois que le processus est terminé, or il est possible d'observer les molécules au cours du processus de dépôt,» explique le professeur Riede, «à ce moment-là, on peut constater comment les molécules se regroupent et ce qu’il est possible de faire pour influencer leur configuration.»

En recourant au Fullerène C60, un matériau souvent utilisé pour produire des OSC, l’équipe est parvenue à observer comment des défauts peuvent se former dans ces couches fines et même influer sur le résultat final. «Nous avons observé des défauts d’assemblage dans une direction moléculaire spécifique,» déclare le professeur Riede, «ce qui nous a fourni un point de donnée important sur le niveau structurel pour interpréter la performance de tels dispositifs.»

De précieux modèles de référence

Dans une cellule solaire organique, la lumière du soleil est absorbée dans des couches photoactives qui consistent généralement en un mélange de deux matériaux (molécule électrodonneuse et molécule électroacceptrice), où elle est convertie en électricité. Les chercheurs de OSC Go ont consacré du temps à l’analyse de la performance de cellules solaires à hétérojonction diluées, celles dont le contenu donneur est de 5 % maximum.

«Nous avons constaté que ces dispositifs fonctionnaient étonnamment bien,» déclare le professeur Riede «donc nous avons examiné des cellules de C60 pures afin de voir comment les molécules se regroupent, et comment elles se regroupent et leur performance en présence d’autres molécules. Ces dispositifs sont d’excellents modèles de systèmes et nous avons tenté d’associer les résultats obtenus au niveau micro-structurel à ceux obtenus d’un point de vue photo-physique.»

Les effets de la modification de la micro-structure sur la performance des dispositifs constituait un troisième domaine d’étude. En collaboration avec le laboratoire Merck, l’équipe a analysé ce qui se passait quand la couche d’OSC est soumise à de hautes températures ou exposée à la lumière du soleil sur de longues périodes de temps, ce qui leur arrive durant l’opération. «Nous avons mesuré les modifications de la microstructure avec des rayons X et d’autres méthodes et nous avons été en mesure de lier ces modifications aux modifications de performance des OSC,» explique encore le professeur Riede, «cela nous conduit donc à chercher des manières d’inhiber ce phénomène.»

Une meilleure compréhension de ce qui se passe à l’échelle nano sera très utile quand il s’agira de choisir quels matériaux utiliser pour produire des OSC efficaces, estime le professeur Riede.

«Il existe une multitude de matériaux que l’on peut utiliser et il est possible de les adapter et d'améliorer leur performance grâce à une conception chimique intelligente et à de bonnes conditions de production,» ajoute-t-il, «mais pour y parvenir, nous devons également être capables de comprendre les fondamentaux.»

Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

OSC Go, cellules solaires organiques, système photovoltaïque organique, énergie solaire, Fullerène C60, micro-structure