Le défi climatique et énergique impose une constante recherche de nouvelles sources et vecteurs d’énergie propre et renouvelable. Récemment, des chercheurs chinois ont réalisé une avancée significative dans le domaine des cellules solaires organiques (OSC), atteignant un rendement record de 19,31%. Ces dispositifs, plus légers, plus flexibles et potentiellement moins coûteux que leurs homologues en silicium, pourraient être la clé d’une transition énergétique réussie. Les prouesses présentées ici nous rapprochent d’ailleurs de l’efficacité des cellules solaires traditionnelles.
Les cellules solaires organiques (OSC, pour Organic Solar Cells) sont une catégorie de cellules solaires qui utilisent des matériaux organiques pour absorber la lumière et convertir cette énergie lumineuse en électricité. Elles se distinguent des cellules solaires traditionnelles, qui sont généralement fabriquées à partir de matériaux inorganiques comme le silicium.
Les matériaux organiques à base de carbone utilisés dans les OSC peuvent être des polymères (de longues chaînes de molécules) ou de petites molécules organiques. Ces matériaux sont généralement déposés sur un substrat en une couche très mince, ce qui donne aux OSC leur légèreté et leur flexibilité.
Bien qu’il s’agisse d’une alternative prometteuse aux cellules solaires traditionnelles, leur efficacité de conversion de l’énergie solaire en électricité était jusqu’à présent bien inférieure à celle de leurs homologues en silicium. Les chercheurs de la nouvelle étude, de l’Université Polytechnique de Hong Kong, ont réussi à atteindre un rendement record de 19,31%. Cette percée, dont les détails sont publiés dans la revue Nature Communications, pourrait ouvrir la voie à une nouvelle ère de l’énergie renouvelable.
Des cellules solaires boostées
L’équipe de recherche, dirigée par le professeur Li Gang, a utilisé deux techniques principales pour améliorer l’efficacité des cellules solaires organiques. La première technique, appelée manipulation non monotone de l’état intermédiaire (ISM), consiste à utiliser un régulateur de cristallisation pour améliorer l’organisation des molécules dans la cellule solaire.
Contrairement à la stratégie d’utilisation d’additifs solvants traditionnels, qui est basée sur une agrégation moléculaire excessive dans les films, la stratégie ISM favorise la formation d’un empilement moléculaire plus ordonné et d’une agrégation moléculaire favorable. En termes simples, ils ont utilisé une substance spéciale pour aider les molécules à s’organiser de manière plus efficace, ce qui permet à la cellule solaire de mieux convertir la lumière en électricité.
La deuxième technique consistait à réduire les pertes de recombinaison non radiative, véritable défi pour le secteur de l’énergie solaire. Concrètement, lorsque la lumière frappe une cellule solaire, elle excite les électrons dans les molécules donneuses de la cellule. Ces électrons sont ensuite transférés aux molécules accepteuses, créant une différence de potentiel qui peut être utilisée pour générer de l’électricité. C’est ce qu’on appelle la séparation des charges.
Cependant, parfois, avant que l’électron ne puisse être transféré à une molécule accepteuse, il peut « recombiner » avec un trou positif (l’absence d’un électron) dans la molécule donneuse. Lorsque cela se produit, l’énergie de l’électron est perdue sous forme de chaleur plutôt que d’être convertie en électricité. Ces pertes sont un facteur majeur limitant l’efficacité des OSC. Les chercheurs ont réussi à réduire ces pertes à 0,168 eV, un niveau jamais atteint auparavant.
En combinant ces deux techniques, ils sont parvenus à atteindre un rendement record de 19,31% pour les cellules solaires organiques. Ces résultats rapprochent les OSC de l’efficacité des cellules solaires en silicium disponibles sur le marché, qui est actuellement d’environ 25,7%.
Des applications prometteuses
Cette percée pourrait avoir des implications majeures pour l’avenir de l’énergie renouvelable. Les OSC ont le potentiel de bouleverser l’industrie solaire grâce à leur flexibilité et à leur coût de production bien inférieur à leurs homologues en silicium. En effet, les OSC sont fabriquées à partir de matériaux organiques, qui sont généralement moins coûteux.
De plus, le processus de fabrication requiert moins d’énergie et est simplifié. Les OSC peuvent être fabriquées en utilisant des techniques d’impression en rouleau, similaires à celles utilisées pour imprimer des journaux. Cela contraste avec le processus de fabrication des cellules solaires en silicium, qui nécessite des températures élevées et des équipements coûteux. Enfin, étant donné que les OSC sont plus légères et plus flexibles que les cellules solaires en silicium, les coûts de transport et d’installation sont également réduits.
C’est pourquoi si leur efficacité continue d’augmenter, elles pourraient devenir une option plus économique pour la production d’énergie solaire à grande échelle. Elles pourraient être utilisées dans une variété d’applications, allant des panneaux solaires sur les toits aux appareils portables alimentés par l’énergie solaire. Le professeur Li Gang, auteur principal de l’étude, déclare dans un communiqué : « Cette nouvelle avancée rendra la recherche sur les OSC un domaine passionnant, et cela créera probablement d’énormes opportunités dans des applications comme l’électronique portable et les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments ».
Cependant, il reste encore de nombreux défis à relever. L’un des principaux est d’améliorer la durabilité des OSC. En effet, les matériaux organiques peuvent se dégrader plus rapidement que les matériaux inorganiques lorsqu’ils sont exposés à la lumière et à la chaleur, ce qui peut limiter la durée de vie des OSC. Les chercheurs doivent également travailler sur l’amélioration de la stabilité des OSC et sur la mise à l’échelle de la production.
Néanmoins, cette avancée dans l’efficacité des OSC est une nouvelle prometteuse pour l’avenir de l’énergie solaire et de la lutte contre le changement climatique. Alors que des scientifiques du monde entier continuent de chercher des solutions pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et pour atténuer les effets du changement climatique, les OSC pourraient être une partie importante de la solution.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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