De meilleurs arrangements de molécules dans les cellules solaires organiques peuvent améliorer l’absorption de la lumière

Dans un article publié dans Chimie de la natureDes chercheurs de l’Université de Cambridge, de l’Imperial College de Londres et de l’Université Queen Mary de Londres ont montré pour la première fois comment différentes dispositions de molécules dans les cellules solaires organiques peuvent améliorer l’absorption de la lumière, ouvrant la voie à des panneaux solaires meilleurs et moins chers.

Les cellules solaires organiques utilisent de petites molécules organiques ou des polymères organiques pour absorber et transformer la lumière du soleil en électricité. Les molécules peuvent être produites synthétiquement à haut rendement et les cellules obtenues sont légères, flexibles et peu coûteuses à fabriquer. Elles sont donc potentiellement moins chères, durables et plus flexibles que les cellules traditionnelles en silicium.

Lorsque la lumière frappe une cellule solaire organique, elle force les molécules à transférer des électrons, ce qui génère un courant électrique. L’efficacité du processus dépend de la disposition des molécules et de la façon dont elles interagissent.

L’un des problèmes est que les cellules solaires organiques sont encore beaucoup moins efficaces que les cellules solaires au silicium. La clé pour les rendre plus efficaces et plus compétitives sur le plan commercial est de comprendre et d’améliorer les arrangements moléculaires dans les cellules. Cependant, les configurations moléculaires sont difficiles à caractériser car elles sont enfouies profondément dans le système et leur structure reste un mystère.

Les co-auteurs Jeroen Royakkers de ce département et Hanbo Yang du département de physique de l’Imperial College de Londres ont désormais mis au point une nouvelle façon de construire des interfaces modèles, qui permettra aux scientifiques d’étudier en détail les structures moléculaires pour déterminer quelles structures sont les plus efficaces.

Royakkers et Yang ont mis au point une stratégie synthétique pour concevoir et contrôler les interfaces modèles. Ils ont ensuite utilisé ces interfaces pour étudier et modéliser l’efficacité du transfert moléculaire à différents endroits.

« Une approche clé a consisté à simuler la dynamique moléculaire de ces matériaux, puis à les utiliser comme des « instantanés » que nous avons réinjectés dans les simulations de mécanique quantique. À température ambiante, ces matériaux sont très flexibles et en mouvement constant », a déclaré le co-auteur, le docteur Jarvist Moore Frost de l’Imperial College de Londres.

« Nous pouvons alors simuler directement les mesures laser, mais nous disposons des informations issues de nos calculs sur l’endroit d’où et vers où se déplace la fonction d’onde quantique de l’électron. »

« L’objectif de cette étude était d’étudier les processus qui contrôlent le processus initial de séparation des charges, plutôt que d’obtenir une efficacité de conversion de puissance élevée dans ces dispositifs », a déclaré Royakkers. « Mais nos modèles montrent une nouvelle stratégie de conception qui pourrait aboutir à une conversion de photons en énergie électrique plus efficace. »

« Nos recherches s’intéressent au fonctionnement interne des molécules captant la lumière en analysant les couleurs de la lumière qu’elles émettent », a déclaré le Dr Flurin Eisner, co-auteur et maître de conférences en énergie verte à l’université Queen Mary de Londres. « Nous avons observé des changements de couleur distincts entre les molécules disposées selon différentes configurations.

« Cela nous a montré que la disposition des molécules joue un rôle important dans l’efficacité avec laquelle elles séparent les charges électriques, ce qui est crucial pour les performances des cellules solaires. Il est intéressant de noter que nos expériences correspondent étroitement aux prédictions théoriques, consolidant ainsi notre compréhension de ces matériaux. Cela ouvre la voie au développement de cellules solaires organiques de nouvelle génération avec des rendements améliorés. »

« Nous avons montré dans cette recherche que certains arrangements de ces molécules améliorent ce processus, ce qui signifie que nous pouvons désormais concevoir de nouveaux matériaux qui amélioreront l’efficacité des panneaux solaires », a déclaré le professeur Hugo Bronstein, qui occupe des fonctions conjointes au sein de ce département et du département de physique, et qui a dirigé la recherche avec le professeur Jenny Nelson et le docteur Jarvist Moore Frost à l’Imperial College de Londres.