De nouvelles informations sur la perte d’énergie ouvrent des portes à une technologie solaire en plein essor

Les cellules solaires organiques sont une technologie émergente qui est prometteuse. Contrairement aux panneaux solaires en silicium omniprésents, ils ont le potentiel d’être légers, flexibles et disponibles dans une variété de couleurs, ce qui les rend particulièrement attrayants pour une utilisation dans les villes ou les façades. Cependant, les progrès dans le fonctionnement des dispositifs ont été lents, car les chercheurs ont du mal à comprendre les processus fondamentaux qui sous-tendent le fonctionnement des cellules solaires organiques.

Maintenant, des ingénieurs de l’Université de Princeton et de l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah ont décrit une nouvelle façon d’exprimer la perte d’énergie dans les cellules solaires organiques et ont étendu cette description pour fournir des recommandations pour concevoir les meilleurs appareils. Cette percée pourrait réinventer l’approche conventionnelle de la fabrication de cellules solaires organiques. Leur travail a été publié le 18 novembre dans Joule.

“Il y avait une manière traditionnelle de décrire et de définir la perte d’énergie dans les cellules solaires organiques. Et il s’avère que cette description n’était pas tout à fait correcte”, a déclaré Barry Rand, co-auteur de l’étude et professeur agrégé de génie électrique et informatique et du Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement.

Rand a souligné que la méthode traditionnelle de description de la perte d’énergie ne tient pas compte de la présence de désordre dans une cellule solaire organique. Un type de désordre, le désordre dynamique, est causé par le mouvement non uniforme des molécules au niveau microscopique, entraînant une perte d’énergie presque inévitable à la plupart des températures. Le deuxième type, le désordre structurel ou statique, est un produit de la structure intrinsèque des différents matériaux utilisés dans une cellule solaire organique, ainsi que de leur disposition au sein du dispositif.

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Des recherches antérieures sur les cellules solaires organiques qui n’ont pas pris en compte les interférences dans les calculs de perte d’énergie ont donné des valeurs d’environ 0,6 électron-volt, quel que soit le matériau de l’appareil. Mais lorsque Rand et son équipe ont intégré le désordre dans la façon dont la perte d’énergie a été calculée et ont testé différents appareils, ils ont découvert que le niveau de désordre joue un rôle important dans la détermination de la perte d’énergie totale. cellule solaire organique.

“Alors que le désordre de la cellule solaire augmente, nous voyons notre composante de perte d’énergie non radiative – la composante sur laquelle nous avons le contrôle – croître rapidement”, a déclaré Rand. “La perte d’énergie non radiative augmente avec le carré de la composante de perturbation.”

Après avoir démontré qu’un encombrement accru entraîne une forte augmentation de la perte d’énergie dans les appareils, les chercheurs ont pu faire des recommandations pour des matériaux qui réduisent l’encombrement et conduisent ainsi à des appareils plus efficaces. Parce que les scientifiques peuvent choisir les matériaux à utiliser et comment ils sont disposés dans une cellule solaire organique, ils ont un certain contrôle sur le degré de désordre structurel dans un appareil donné.

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Lors de la conception d’une cellule solaire organique, les chercheurs peuvent se concentrer sur la création d’un mélange homogène de matériaux dans lequel des parties du film sont soit toutes cristallines, soit toutes amorphes, ou un mélange hétérogène dans lequel certaines parties du film sont cristallines et d’autres parties sont amorphes.

Grâce à leurs travaux, l’équipe de Rand a prouvé que les mélanges homogènes dominent la production de cellules solaires organiques. Pour des cellules solaires organiques plus efficaces, Rand a déclaré que les scientifiques devraient utiliser des matériaux hautement cristallins ou hautement amorphes et éviter de mélanger les deux dans un seul appareil.

“Si vous avez quelque chose entre les deux, une certaine hétérogénéité, où des parties du film sont légèrement cristallines et certaines parties sont amorphes, c’est là que vous perdez le plus d’énergie”, a déclaré Rand.

Cette découverte va à l’encontre des conventions, car les chercheurs pensaient auparavant qu’un certain degré d’hétérogénéité dans les mélanges de cellules solaires était bénéfique pour les performances globales. Mais parce que l’équipe de Rand a découvert que des mélanges d’appareils hétérogènes présentent des niveaux élevés de désordre et perdent des quantités importantes d’énergie, il a déclaré que leur découverte pourrait fournir une nouvelle direction aux chercheurs alors qu’ils recherchent des cellules solaires organiques plus efficaces.

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« L’hétérogénéité était souvent au centre des appareils. Un certain degré de cristallinité a été considéré comme bénéfique. Mais il s’avère que ce n’est pas ce que nous avons vu”, a déclaré Rand. Il a souligné que bon nombre des cellules solaires organiques les plus performantes aujourd’hui sont composées de films hautement amorphes et a suggéré qu’avec les technologies existantes, les mélanges entièrement amorphes sont plus pragmatiques que ceux entièrement cristallins.

Bien que les recherches de son équipe aient principalement cherché à comprendre la science derrière les cellules solaires organiques, Rand espère que d’autres pourront utiliser leurs travaux pour construire des dispositifs plus efficaces et finalement atteindre de nouvelles références pour cette technologie solaire prometteuse.

“Cette découverte est un autre aspect des cellules solaires organiques que nous pouvons ajouter à ce que nous savons déjà, ce qui nous aidera à améliorer leur efficacité à l’avenir”, a déclaré Rand.

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