D’après pv magazine USA.
Une équipe de chercheurs de l’université du Kansas a étudié un effet contre-intuitif dans les semi-conducteurs organiques qui pourrait permettre d’obtenir des rendements de cellules solaires compétitifs par rapport aux panneaux solaires traditionnels en silicium. La recherche est publiée dans Advanced Materials.
Les chercheurs du monde entier testent activement des matériaux alternatifs au silicium pour la fabrication de cellules solaires. Bien que le silicium offre une efficacité et une durabilité élevées, il existe d’autres matériaux plus abondants qui pourraient constituer des alternatives moins coûteuses. Le silicium est également rigide, alors que certains matériaux photovoltaïques ont démontré leur capacité à être déposés en couches minces sur des surfaces irrégulières.
L’un des types de matériaux que les chercheurs cherchent à développer est celui des semi-conducteurs dits « organiques ». Ces semi-conducteurs à base de carbone sont abondants sur Terre, peu coûteux et susceptibles d’être plus respectueux de l’environnement. « Ils peuvent potentiellement réduire le coût de production des panneaux solaires, car ces matériaux peuvent être déposés sur des surfaces variées à l’aide de méthodes basées sur des solvants, de la même manière que l’on peint un mur », explique Wai-Lun Chan, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’université du Kansas.
Selon Wai-Lun Chan, ces matériaux organiques peuvent être ajustés pour absorber la lumière à des longueurs d’onde spécifiques. Ces matériaux peuvent être utilisés pour créer des panneaux solaires transparents ou des panneaux de couleurs spécifiques, ce qui permet de les intégrer dans des bâtiments durables.
De 12 à 20 % d’efficacité ?
Les semi-conducteurs organiques sont déjà utilisés aujourd’hui dans les panneaux d’affichage des appareils électroniques grand public tels que les téléphones portables et les téléviseurs. Ils n’ont pas encore été commercialisés dans le domaine de l’énergie photovoltaïque, car leur efficacité de conversion de la lumière en électricité se situe autour de 12 %, soit environ la moitié de l’efficacité des panneaux solaires traditionnels en silicium.
Toutefois, l’utilisation d’une nouvelle classe de matériaux appelés accepteurs nonfullerènes (NFA) pourrait contribuer à combler ce déficit d’efficacité. Les cellules solaires organiques fabriquées avec des NFA ont démontré une efficacité proche de 20 %.
L’augmentation significative des performances des NFA résulte d’un effet contre-intuitif. L’équipe a constaté que certains des électrons excités dans le matériau gagnaient de l’énergie dans l’environnement, au lieu de la perdre par entropie (le phénomène de dégradation de l’énergie).
« Cette observation est contre-intuitive, car les électrons excités perdent généralement leur énergie dans l’environnement, comme une tasse de café chaude perdra de sa chaleur au fur et à mesure », a déclaré Wai-Lun Chan.
Les chercheurs pensent que le gain d’énergie peut être dû à un effet quantique des électrons, qui permettrait à un électron d’apparaître sur plusieurs molécules en même temps. Combiné à la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que tout processus physique entraîne une augmentation de l’entropie totale, ce phénomène quantique serait à l’origine de ce gain d’énergie inattendu.
« Dans la plupart des cas, un objet chaud transfère de la chaleur à son environnement froid parce que le transfert de chaleur entraîne une augmentation de l’entropie totale », explique Kushal Rijal, chercheur du projet. « Mais nous avons découvert que pour les molécules organiques disposées dans une structure nanométrique spécifique, la direction typique du flux de chaleur est inversée et entraîne une augmentation de l’entropie totale. Ce flux de chaleur inversé permet aux excitons neutres de gagner de la chaleur dans 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 ».
Selon les chercheurs, ce mécanisme peut être utilisé pour fabriquer des cellules solaires plus efficaces. Ils pensent également qu’il peut être utile lorsqu’il est appliqué aux photocatalyseurs pour la production de carburant solaire, un processus photochimique qui utilise la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone en carburants organiques.
Traduit par Marie Beyer.
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