Comment les semi-conducteurs organiques révolutionnent l'énergie solaire

Les chercheurs ont amélioré la capture de l'énergie solaire en développant des semi-conducteurs organiques qui offrent une alternative moins chère et plus adaptable au silicium. Une percée récente révèle que ces matériaux peuvent atteindre des rendements plus élevés grâce à un mécanisme unique où les électrons gagnent de l'énergie, ouvrant la voie à des cellules solaires plus efficaces et à des technologies de production d'énergie.

L'énergie solaire joue un rôle crucial dans la transition vers un avenir énergétique propre. En général, le silicium, un semi-conducteur courant présent dans l'électronique de tous les jours, est utilisé pour capter l'énergie solaire. Cependant, les panneaux solaires en silicium présentent des limitations : ils sont coûteux et difficiles à installer sur des surfaces courbes.

Les chercheurs ont développé des matériaux alternatifs pour la capture de l'énergie solaire afin de pallier ces inconvénients. Parmi les plus prometteurs figurent les semi-conducteurs « organiques », des semi-conducteurs à base de carbone abondants sur Terre, moins chers et respectueux de l'environnement.

« Ils peuvent potentiellement réduire les coûts de production des panneaux solaires car ces matériaux peuvent être appliqués sur des surfaces arbitraires à l'aide de méthodes basées sur des solutions, tout comme nous peignons un mur », a déclaré Wai-Lun Chan, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université du Kansas. « Ces matériaux organiques peuvent être adaptés pour absorber la lumière à des longueurs d'onde sélectionnées, ce qui peut être utilisé pour créer des panneaux solaires transparents ou de différentes couleurs. Ces caractéristiques rendent les panneaux solaires organiques particulièrement adaptés à une utilisation dans les bâtiments verts et durables de la prochaine génération. »

Alors que les semi-conducteurs organiques sont déjà utilisés dans les panneaux d'affichage des appareils électroniques grand public tels que les téléphones portables, les téléviseurs et les casques de réalité virtuelle, ils ne sont pas encore largement utilisés dans les panneaux solaires commerciaux. Un inconvénient des cellules solaires organiques est leur faible rendement de conversion de la lumière en électricité, d'environ 12 % contre 25 % pour les cellules solaires en silicium monocristallin.

Selon Chan, les électrons dans les semi-conducteurs organiques se lient généralement à leurs contreparties positives appelées « trous ». Ainsi, la lumière absorbée par les semi-conducteurs organiques produit souvent des quasi-particules électriquement neutres appelées « excitons ».

Mais le récent développement d'une nouvelle classe de semi-conducteurs organiques appelés accepteurs non-fullerène (NFAs) a changé ce paradigme. Les cellules solaires organiques fabriquées avec des NFAs peuvent atteindre un rendement plus proche de 20 %.

Malgré leurs performances exceptionnelles, il est resté flou pour la communauté scientifique pourquoi cette nouvelle classe de NFAs surpasse significativement les autres semi-conducteurs organiques.

Dans une étude révolutionnaire publiée dans Advanced Materials, Chan et son équipe, comprenant les étudiants diplômés Kushal Rijal (premier auteur), Neno Fuller et Fatimah Rudayni du département de physique et d'astronomie, et en collaboration avec Cindy Berrie, professeur de chimie à l'Université du Kansas, ont découvert un mécanisme microscopique qui explique en partie les performances exceptionnelles obtenues par un NFA.

L'auteur principal Kushal Rijal (à droite) et Neno Fuller (à gauche) ont réalisé les mesures TR-TPPE à l'aide du système de spectroscopie photoélectronique en ultra-haute vide montré sur l'image. Crédit : Kushal et Fuller

La clé de cette découverte était les mesures prises par l'auteur principal Rijal en utilisant une technique expérimentale appelée « spectroscopie de photoémission à deux photons à résolution temporelle » ou TR-TPPE. Cette méthode a permis à l'équipe de suivre l'énergie des électrons excités avec une résolution temporelle sub-picoseconde (moins d'un billionième de seconde).

« Dans ces mesures, Kushal [Rijal] a observé que certains des électrons excités optiquement dans le NFA peuvent gagner de l'énergie de l'environnement au lieu de perdre de l'énergie dans l'environnement », a déclaré Chan. « Cette observation va à l'encontre de l'intuition car les électrons excités perdent généralement leur énergie dans l'environnement, tout comme une tasse de café chaud perd sa chaleur dans son environnement. »

L'équipe, dont le travail a été soutenu par le bureau des sciences fondamentales du Département de l'Énergie, estime que ce processus inhabituel se produit à l'échelle microscopique grâce au comportement quantique des électrons, qui permet à un électron excité d'apparaître simultanément sur plusieurs molécules. Cette bizarrerie quantique s'associe à la Deuxième Loi de la Thermodynamique, qui stipule que tout processus physique aboutira à une augmentation de l'entropie totale (souvent appelée « désordre ») pour produire le processus inhabituel de gain d'énergie.

« Dans la plupart des cas, un objet chaud transfère de la chaleur à son environnement froid car le transfert de chaleur conduit à une augmentation de l'entropie totale », a déclaré Rijal. « Mais nous avons trouvé que pour des molécules organiques disposées dans une structure nanométrique spécifique, la direction typique du flux de chaleur est inversée pour que l'entropie totale augmente. Ce flux de chaleur inversé permet aux excitons neutres de gagner de la chaleur de l'environnement et de se dissocier en une paire de charges positives et négatives. Ces charges libres peuvent à leur tour produire un courant électrique. »