Il est essentiel de comprendre comment les particules se déplacent dans un appareil pour améliorer l’efficacité des cellules solaires. Les chercheurs de KAUST, en collaboration avec une équipe internationale de scientifiques, ont maintenant élaboré un ensemble de directives de conception pour améliorer les performances des matériaux moléculaires.
Lorsqu’un paquet de lumière, ou photon, est absorbé par un semi-conducteur, il génère une paire de particules appelée exciton. Un électron est une partie de cette paire ; l’autre est son équivalent chargé positivement, appelé un trou. Les excitons sont électriquement neutres, il est donc impossible de les mettre en mouvement en appliquant un champ électrique. Au lieu de cela, les excitons « sautent » par un mouvement aléatoire ou une diffusion. La dissociation des excitons en charges est nécessaire pour créer un courant mais est très improbable dans un semi-conducteur organique.
« En général, nous devons donc mélanger deux semi-conducteurs, un donneur d’électrons et un accepteur d’électrons, pour générer efficacement des charges libres« , explique Yuliar Firdaus. « Les matériaux donneur et accepteur pénètrent l’un dans l’autre ; maximiser la longueur de diffusion de l’exciton – la distance que l’exciton peut parcourir avant de se recombiner et d’être perdu – est crucial pour optimiser les performances de la cellule solaire organique.«
De nombreuses cellules solaires organiques étaient auparavant fabriquées en mélangeant un polymère avec des molécules, connues sous le nom de fullerènes. Mais plus récemment, le remplacement du fullerène par d’autres matériaux organiques tels que de petites molécules de nonfullerène a permis d’améliorer de façon impressionnante l’efficacité des dispositifs.
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Firdaus et ses collègues ont combiné les mesures du photocourant avec la spectroscopie ultra-rapide pour calculer la longueur de diffusion d’une grande variété de molécules de nonfullerène. Ils ont observé de très grandes longueurs de diffusion des excitons, de l’ordre de 20 à 47 nanomètres, ce qui représente une amélioration par rapport à la plage de 5 à 10 nanomètres caractéristique des fullerènes.
Pour mieux comprendre cette amélioration, l’équipe a comparé les données décrivant la structure cristallographique des molécules avec des calculs de chimie quantique. Ils ont ainsi pu identifier les relations clés entre la structure chimique de la molécule et la longueur de diffusion. Une fois ces liens établis, les scientifiques ont mis au point un ensemble de règles pour faciliter la synthèse de matériaux améliorés et, en fin de compte, aider à la conception de dispositifs photovoltaïques organiques ayant un meilleur rendement de conversion.
« Ensuite, nous prévoyons d’étudier comment les procédés de traitement des films pourraient affecter le taux de transfert d’exciton des accepteurs de petites molécules existants« , explique M. Firdaus. « Nous souhaitons également traduire les règles de conception moléculaire pour synthétiser de nouveaux matériaux accepteurs plus performants« .
