fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Université municipale de Hong Kong (CityUHK) ont atteint un rendement de conversion de puissance de 20,5 % pour les cellules solaires organiques, grâce à une nouvelle stratégie de récupération des excitons triplets. Cette approche permet de reconvertir ces états excités, généralement non luminescents et considérés comme des voies de perte d'énergie, en porteurs de charge libres extractibles, réduisant ainsi les pertes d'énergie dans les dispositifs photovoltaïques organiques traditionnels.
Dans les cellules solaires organiques, les excitons triplets, en raison de leur longue durée de vie et de leur transition interdite par spin, ont toujours limité la génération efficace de charges. Le mécanisme développé par l'équipe de CityUHK permet de convertir ces états excités piégés en électrons et trous libres pouvant être collectés aux électrodes, augmentant ainsi le courant photogénéré sans sacrifier la tension du dispositif. Actuellement, l'efficacité certifiée des cellules solaires organiques dépasse 20 %, et les dispositifs à l'échelle du laboratoire ont atteint plus de 21 % grâce à des accepteurs non fullerènes, au contrôle de la morphologie et à la réduction des pertes d'énergie.
Les chercheurs ont utilisé une cellule solaire organique intégrant un petit accepteur non fullerène (NFA) nommé FTh-4F, appartenant à la famille des accepteurs à cycles fusionnés, caractérisé par une forte absorption dans le proche infrarouge, un transport efficace des électrons et de faibles pertes d'énergie. « En introduisant cet accepteur comme composant ternaire dans d'autres systèmes photovoltaïques organiques hôtes, nous avons récupéré les pertes médiées par les triplets et amélioré l'efficacité photovoltaïque organique en maximisant le nombre de porteurs de charge extractibles », expliquent les chercheurs.
Les expériences ont montré que la persistance des porteurs de charge libres est bien plus longue que celle des excitons triplets de spin, indiquant que les excitons triplets peuvent être reconvertis en porteurs de charge libres plutôt que de se dissiper sous forme de chaleur. En augmentant le nombre d'excitons triplets par sensibilisation, les chercheurs ont confirmé cette voie de récupération via des expériences sur les états de transfert de charge triplets à l'interface. De plus, l'optimisation de la structure des chaînes latérales de l'accepteur et la délocalisation des excitons ont réduit l'écart d'énergie singulet-triplet (ΔEST), rendant la dissociation des excitons triplets plus efficace. Des expériences ultérieures en laboratoire ont porté le rendement de conversion de puissance à plus de 21 %, sans divulguer davantage de détails.
Les résultats ont été publiés dans la revue Nature sous le titre « Recyclage des excitons triplets de spin dans le photovoltaïque organique » (Recycling of spin-triplet excitons in organic photovoltaics). Les chercheurs déclarent : « Cette étude affine le cadre scientifique de l'évolution des excitons/porteurs de charge dans les dispositifs optoélectroniques organiques et ouvre de vastes perspectives d'application pour les systèmes impliquant des processus de séparation et de recombinaison de charges, ce qui devrait améliorer considérablement l'efficacité énergétique et favoriser la transition vers un avenir plus propre, plus efficace et plus durable. »
