L’époque du silicium est-elle révolue ? Le panneau solaire organique à base de carbone transforme 20 % de la lumière solaire en électricité

Des chercheurs de l'Université du Kansas ont révolutionné la compréhension des semi-conducteurs organiques, promettant des cellules solaires plus efficaces et plus polyvalentes

Pendant des années, le silicium a dominé le marchéénergie solaire grâce à son efficacité et sa durabilité, devenant le matériau préféré pour moi panneaux photovoltaïques. Cependant, le cellules solaires en silicium ils sont rigides et coûteux à produire, ce qui limite leur applicabilité sur des surfaces courbes. Sans parler des coûts sociaux et éthiques élevés de son extraction. Des chercheurs de l'Université du Kansas ont réalisé une avancée majeure dans la compréhension des semi-conducteurs organiques, ouvrant ainsi la voie à des cellules solaires plus efficaces et polyvalentes.

Semi-conducteurs organiques, matériaux a base de carboneoffrent une alternative viable à moindre coût et avec une plus grande flexibilité, comme l'explique Wai Lun Chanprofesseur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université du Kansas :

Ils peuvent potentiellement réduire les coûts de fabrication des panneaux solaires, car ces matériaux peuvent être appliqués sur des surfaces arbitraires à l'aide de méthodes de solution, un peu comme si on peignait un mur.

En plus des économies de coûts, les semi-conducteurs organiques peuvent être adaptés pour absorber des longueurs d'onde spécifiques de la lumière, ouvrant ainsi de nombreuses nouvelles possibilités, telles que des panneaux solaires transparents et colorés parfaitement intégrés dans les conceptions architecturales. Ces caractéristiques rendent les panneaux solaires organiques particulièrement adaptés aux bâtiments écologiques et durables de nouvelle génération.

Malgré ces avantages, les cellules solaires organiques ont toujours eu du mal à atteindre l’efficacité de leurs homologues au silicium. Alors que les panneaux de silicium peuvent convertir jusqu'à 25 % de la lumière solaire en électricité, les cellules organiques s'arrêtent à environ 12 %. Cette lacune a représenté un obstacle important à leur adoption généralisée.

Le secret de l'efficacité

Les développements récents ont ravivé l’enthousiasme autour des semi-conducteurs organiques. Une nouvelle classe de matériaux, appelés accepteurs non fullerènes (NFA), a porté l'efficacité des cellules solaires organiques à près de 20 %, réduisant ainsi l'écart avec le silicium.

L'équipe de recherche du Kansas a cherché à comprendre pourquoi les NFA fonctionnent mieux que les autres semi-conducteurs organiques. Leur enquête a conduit à une découverte surprenante : dans certaines circonstances, les électrons excités dans les NFA peuvent gagner de l'énergie de l'environnement plutôt que de la perdre. Selon Chan, cette découverte remet en question les idées reçues :

Cette observation est contre-intuitive car les électrons excités perdent généralement leur énergie dans l’environnement, comme une tasse de café chaud perdant de sa chaleur dans l’air ambiant.

Un allié inattendu

Dirigée par l'étudiant diplômé Kushal Rijal, l'équipe a mis au point une technique sophistiquée appelée spectroscopie de photoémission à deux photons résolue dans le temps. Cette méthode leur a permis de suivre l’énergie des électrons excités en moins d’un billionième de seconde.

Les chercheurs pensent que ce gain d’énergie inhabituel résulte d’une combinaison de mécanique quantique et de thermodynamique. Au niveau quantique, les électrons excités peuvent sembler exister simultanément sur plusieurs molécules.

Combiné avec la deuxième loi de la thermodynamique, ce comportement quantique inverse la direction du flux de chaleur, comme l'illustre Rijal :

Pour les molécules organiques disposées dans une structure nanoscopique spécifique, la direction typique du flux de chaleur est inversée pour augmenter l’entropie totale. Ce flux de chaleur inversé permet aux excitons neutres de récupérer la chaleur de l'environnement et de se dissocier en une paire de charges positives et négatives. Ces charges libres peuvent alors produire un courant électrique.

En plus d'améliorer les cellules solaires, l'équipe estime que leurs découvertes – publiées dans la revue Matériaux avancés – peut être appliqué à d’autres secteurs de la recherche sur les énergies renouvelables. Rijal pense que le mécanisme découvert mènera à des photocatalyseurs plus efficaces pour convertir le dioxyde de carbone en carburants organiques :

Bien que l’entropie soit un concept bien connu en physique et en chimie, elle a rarement été activement utilisée pour améliorer les performances des dispositifs de conversion d’énergie.

Source: Matériaux avancés