La course aux photovoltaïques organiques transparents s’accélère

Les cellules solaires transparentes sont en passe de révolutionner l’apparence des infrastructures en permettant à un plus grand nombre de surfaces de devenir des panneaux solaires. Une équipe internationale menée par la KAUST a démontré que les matériaux appelés accepteurs non fullerènes, capables de générer intrinsèquement des charges lorsqu’ils sont exposés à la lumière du soleil, pourraient faciliter la production de photovoltaïques organiques semi-transparents.

Les photovoltaïques semi-transparents ont la capacité de convertir la lumière du soleil en électricité sans bloquer la lumière visible. Cette caractéristique les rend particulièrement intéressants pour des applications intégrées aux bâtiments, comme les fenêtres, les façades et les serres. Contrairement aux cellules traditionnelles à base de silicium, les photovoltaïques organiques peuvent être flexibles et également adaptés pour être transparents. Cependant, plus la cellule solaire est transparente, moins elle capte de lumière pour produire de l’électricité.

Les cellules solaires organiques reposent généralement sur une couche active appelée hétérojonction en vrac, composée de matériaux donneurs et accepteurs d’électrons, pour capter et convertir la lumière du soleil. Au contact de la lumière solaire, les électrons peuvent être excités vers des états d’énergie plus élevés dans l’hétérojonction, ce qui crée des paires électron-trou, ou excitons, qui se détachent à l’interface donneur-accepteur.

Avec cette séparation de charge, les électrons migrent vers l’accepteur, tandis que les trous chargés positivement se déplacent vers le donneur, générant ainsi de l’électricité. Les hétérojonctions contiennent généralement des quantités égales de matériaux donneurs et accepteurs pour favoriser la collecte et la conversion de la lumière, mais les dispositifs ne sont pas transparents.

Les accepteurs non fullerènes, une piste prometteuse

Au cours des cinq dernières années, les accepteurs non fullerènes ont permis de produire des dispositifs à base d’hétérojonction avec des rendements records, approchant la barre des 20 %. Cependant, des chercheurs ont récemment suggéré que des films à composant unique de l’accepteur non fullerène Y6 pourraient générer des charges sans avoir besoin d’une hétérojonction lorsqu’ils sont exposés à la lumière du soleil.

Inspirée par cette découverte, l’équipe dirigée par Derya Baran et le post-doctorant Anirudh Sharma a étudié la génération de charges dans d’autres accepteurs non fullerènes. Tout comme le Y6, les accepteurs, qui absorbent fortement la lumière proche infrarouge, ont produit des charges sans interface donneur-accepteur. Ils l’ont fait parce que l’exciton s’est scindé spontanément, ce qui a surpris les chercheurs.

Anirudh Sharma explique : « Cela remet en question notre compréhension du fonctionnement de ces dispositifs et incite à réévaluer la situation. »

Des photovoltaïques organiques semi-transparents thermiquement stables

Les chercheurs ont développé des photovoltaïques organiques semi-transparents thermiquement stables en utilisant les accepteurs absorbant le proche infrarouge. Ces derniers sont plus transparents dans la région visible, avec ou sans une quantité minimale de matériaux donneurs absorbant la lumière visible dans une hétérojonction.

En l’absence de matériau donneur, les dispositifs ont obtenu de mauvais résultats en raison d’une séparation de charge limitée. L’ajout de donneurs a amélioré la génération de charges et la migration des trous vers l’anode, améliorant ainsi l’efficacité. « Cela nous a permis de fabriquer des cellules solaires partiellement transparentes, tout en convertissant la lumière du soleil en électricité », explique Anirudh Sharma.

Les modules solaires basés sur des dispositifs semi-transparents ont atteint une efficacité de 5,3 % et une transmittance visible de 82 %, ce qui indique leur haut degré de transparence.

« Nous étudions actuellement les accepteurs non fullerènes de nouvelle génération à un niveau fondamental pour comprendre leur photophysique et l’impact des couches de transport de charge sur les performances globales des dispositifs à homojonction », conclut Anirudh Sharma.

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Price, M.B., Hume, P.A., Ilina, A., Wagner, I., Tamming, R. R., Thorn, K. E., Jiao, W., Goldingay, A., Conaghan, P. J., Lakhwani, G., Davis, N. J. L. K., Wang, Y., Xue, P., Lu, H., Chen, K., Zhan, X. & Hodgkiss, J. M. Free charge photogeneration in a single component high photovoltaic efficiency organic semiconductor. Nature Communications 13, 2827 (2022).| Article