Les physiciens développent un nouveau design de cellule solaire pour une meilleure efficacité

20 février 2024

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par l'Université de Paderborn

Des physiciens de l'Université de Paderborn ont utilisé des simulations informatiques complexes pour développer un nouveau design de cellules solaires significativement plus efficaces que celles disponibles précédemment. Une fine couche de matériau organique, connue sous le nom de tetracene, est responsable de l'augmentation de l'efficacité. Les résultats ont été publiés dans Physical Review Letters.

« L'énergie annuelle du rayonnement solaire sur Terre s'élève à plus d'un billion de kilowattheures, dépassant ainsi la demande mondiale en énergie de plus de 5 000 fois. La photovoltaïque, c'est-à-dire la production d'électricité à partir de la lumière du soleil, offre donc un potentiel important et largement inexploité pour l'approvisionnement en énergie propre et renouvelable. Les cellules solaires en silicium actuellement utilisées à cette fin dominent le marché, mais présentent des limites d'efficacité », explique le Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, physicien et doyen de la Faculté des sciences naturelles de l'Université de Paderborn. Une raison en est que certaines des énergies provenant du rayonnement à ondes courtes ne sont pas converties en électricité, mais en chaleur indésirable.

Schmidt explique : « Pour augmenter l'efficacité, la cellule solaire en silicium peut être dotée d'une couche organique, par exemple fabriquée à partir du semi-conducteur tetracene. La lumière à ondes courtes est absorbée dans cette couche et convertie en excitations électroniques de haute énergie, appelées excitons. Ces excitons se désagrègent dans le tetracene en deux excitations de faible énergie. Si ces excitations peuvent être transférées avec succès vers la cellule solaire en silicium, elles peuvent être efficacement converties en électricité et augmenter le rendement global de l'énergie utilisable. »

Avancée décisive pour un transfert d'énergie rapide

Le transfert d'excitation de tetracene en silicium est étudié par l'équipe de Schmidt à l'aide de simulations informatiques complexes au Paderborn Center for Parallel Computing (PC2), le centre informatique haute performance de l'université. Une avancée décisive a été réalisée : lors d'une étude conjointe avec le Dr. Marvin Krenz et le Prof. Dr. Uwe Gerstmann, tous deux de l'Université de Paderborn, les scientifiques ont montré que des défauts spéciaux sous forme de liaisons chimiques insaturées à l'interface entre le film de tetracene et la cellule solaire accélèrent considérablement le transfert d'excitons.

Schmidt note : « De tels défauts se produisent lors de la désorption de l'hydrogène et créent des états d'interface électronique avec une énergie fluctuante. Ces fluctuations transportent les excitations électroniques du tetracene vers le silicium comme un ascenseur. »

Ces « défauts » dans les cellules solaires sont en fait associés à des pertes d'énergie. Cela rend les résultats du trio de physiciens d'autant plus étonnants.

« Dans le cas de l'interface silicium tetracene, les défauts sont essentiels pour le transfert d'énergie rapide. Les résultats de nos simulations informatiques sont vraiment surprenants. Ils fournissent également des indications précises pour la conception d'un nouveau type de cellule solaire avec une efficacité considérablement accrue », déclare Schmidt.

Fourni par l'Université de Paderborn