Comment augmenter l’efficacité des cellules solaires simplement ?
Des chercheurs de l’Université de l’Etat de Caroline du Nord et de l’Académie des Sciences de Chine ont trouvé un moyen aisé de modifier la structure moléculaire d’un polymère couramment utilisé dans les cellules solaires, augmentant du coup leur efficacité de plus de 30%.
Les cellules solaires à base de polymère sont constituées de 2 parties, un récepteur d’électrons et un matériau transmetteur d’électrons. Les ‘excitons‘ sont des particules d’énergie créées par les cellules solaires lorsque la lumière est absorbée. Pour être exploités efficacement en tant que source d’énergie, les ‘excitons‘ doivent être en mesure de voyager rapidement par l’intermédiaire du transmetteur et du récepteur tout en conservant le plus d’énergie possible.
Un moyen d’augmenter l’efficacité des cellules solaires est donc d’ajuster la différence entre l’orbite moléculaire la plus élevée occupé par le récepteur (HOMO) et de celle la plus basse inoccupée (LUMO) au niveau du polymère de sorte que l’exciton peut être récupéré avec une perte minimale.
Selon ces mêmes chercheurs, l’une des façons les plus anodines d’y parvenir reste l’ajout d’un atome de fluor à la structure moléculaire du polymère. Ce processus multi-étapes assez difficile à mettre en oeuvre peut certes augmenter le rendement de la cellule solaire mais le coût du matériel demeure prohibitif.
[ Vue moléculaire du polymère / fullerène : film solaire montrant l'interface entre les récepteurs et les transmetteurs. Les points rouges sont des molécules de PC71BM et les lignes bleues représentent des chaînes PTB7. Les 'excitons' sont représentés par des points jaunes, les points violets sont des électrons et les points verts représentent les trous. ]
Une équipe de chimistes dirigée par Jianhui Hou de l’Académie des sciences de Chine a créé un polymère connu sous le nom de ‘PBT-OP‘ à partir de 2 monomères disponibles sur le marché et un autre facilement synthétisable. Wei Ma, chercheur post-doctoral de physique au NC State, a mené l’analyse de la structure du polymère et du transmetteur aux rayons X.
Le ‘PBT-OP‘ était non seulement plus facile à fabriquer que les autres polymères couramment utilisés, mais par une simple manipulation de sa structure chimique, il a donné un niveau HOMO inférieur à celui déjà rencontré dans d’autres polymères possédant la même structure moléculaire. Le ‘PBT-OP’ a montré une tension en circuit ouvert (la tension disponible à partir d’une cellule solaire) d’une valeur de 0,78 volt, une augmentation de 36% sur une moyenne de 0,6 volt à partir de polymères similaires.
Pour Harald Ade (en photo), physicien à l’Université de l’Etat de Caroline du Nord, l’approche de l’équipe possède plusieurs avantages. “Lorsque vous changez la structure moléculaire de ces matériaux, vous améliorez certes un aspect de la cellule solaire, mais vous pouvez aussi créer par inadvertance des conséquences inattendues qui défont l’intention initiale,” a t-il expliqué. “Dans ce cas, nous avons trouvé un moyen chimique aisé de modifier la structure électronique et améliorer l’efficacité du dispositif par la capture d’une fraction de l’énergie de la lumière, sans modifier la capacité du matériau à absorber, créer et transporter l’énergie.“
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