Un nouvel accepteur non fullerène pour les applications d'énergie solaire en intérieur

Les cellules photovoltaïques organiques (OPV), une technologie de cellule solaire de troisième génération capable de convertir l’énergie solaire en électricité, se sont révélées plus efficaces que les cellules au silicium sous un éclairage LED intérieur à faible intensité lumineuse. Ces cellules ont également montré un grand potentiel pour alimenter des composants électroniques hors réseau à faible consommation dans les environnements intérieurs.

Malgré leur potentiel énorme, l'efficacité de la conversion d'énergie des cellules OPV est actuellement limitée par des pertes substantielles de leur tension en circuit ouvert. En outre, des études antérieures suggèrent que, lorsqu'elles sont utilisées pour l'éclairage intérieur, leur spectre d'absorption est loin d'être optimal.

Dans le but de surmonter ces limitations, une équipe de chercheurs de l'Académie chinoise des sciences de Chine et de l'Université de Linköping en Suède a récemment conçu un accepteur non fullerène qui pourrait permettre l'utilisation de cellules photovoltaïques organiques à hautes performances pour des applications en intérieur. Ce nouvel accepteur, présenté dans un article publié au Nature Energie, peut être mélangé avec un donneur de polymère pour obtenir une couche photoactive avec un spectre d’absorption correspondant à celui des sources lumineuses d’intérieur.

La couche active qui convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique dans les cellules solaires organiques, telles que les VPO, est constituée d'un mélange fin de deux molécules, appelées donneur et accepteur. Ces molécules peuvent essentiellement être ajustées pour absorber des types de lumière de différentes longueurs d'onde.

"Dans ce travail, nous présentons une combinaison donneur / accepteur conçue pour absorber la lumière visible", a déclaré à TechXplore Jonas Bergqvist, l'un des chercheurs qui a mené l'étude. "Le donneur et l'accepteur sont à même de fournir une haute tension de 1,24 V sous illumination solaire."

Bergqvist et ses collègues ont associé l'accepteur qu'ils ont développé, appelé IO-4Cl, à un donneur de polymère appelé PBDB-TF. En combinant ces deux molécules, ils ont obtenu une couche photoactive avec un spectre d'absorption aligné sur celui des sources lumineuses d'intérieur, ce qui la rend idéale pour les applications d'intérieur.

"De nombreux accepteurs haute performance pour la photovoltaïque organique ont eu une bande interdite basse avec un début d'absorption d'environ 800 nm", a déclaré Bergqvist. "Dans ce travail, nous avons modifié l'accepteur ITIC pour augmenter la largeur de bande interdite et ainsi faire correspondre l'absorption du matériau au spectre de l'éclairage intérieur (en adaptant la lumière visible de 400 à 700 nm)."

La large bande interdite observée dans le matériau mis au point par les chercheurs conduit à une tension plus élevée, permettant une performance énergétique plus élevée dans les environnements intérieurs. Les chercheurs ont évalué les performances de leur accepteur dans des situations où le seul éclairage était une lumière LED de faible intensité, simulant les conditions typiques de nombreux espaces intérieurs, notamment des salons, des bibliothèques et des centres commerciaux.

Au cours de ces tests, l’accepteur qu’ils ont développé a permis une efficacité de conversion de puissance pouvant atteindre 26,1%, avec une résolution de 1 cm² dispositif. Lorsque Bergqvist et ses collègues ont testé des échantillons plus grands (4 cm²) des périphériques alimentés par leur accepteur, ils ont atteint un rendement de conversion de puissance remarquable de 23,9%.

"La numérisation de notre société progresse et l'Internet des objets et les appareils intelligents constituent un marché en forte croissance", a déclaré Bergqvist. "Un grand nombre de ces périphériques consomment peu d'énergie et des dispositifs efficaces de récupération d'énergie lumineuse peuvent aider à les alimenter. Les VPO hautes performances associés à la production de rouleaux d'impression et de revêtements représentent un grand potentiel pour alimenter les objets intelligents connectés."

L'accepteur à large bande non-fullerène développé par Bergqvist et ses collègues pourrait enfin permettre une performance supérieure des cellules photovoltaïques organiques dans des environnements intérieurs. Cela pourrait avoir des implications importantes pour le développement d'une technologie de cellules solaires plus avancée, qui ne se limite pas aux applications extérieures.

"Nous pouvons facilement ajuster le spectre d'absorption de ces matériaux organiques, de manière à maximiser l'efficacité de la conversion de la lumière à l'intérieur", a déclaré Feng Gao, un autre chercheur impliqué dans l'étude, à TechXplore. "Ce n'est pas possible pour les cellules solaires au silicium commerciales. Pour cette raison, je suis convaincu que les cellules solaires organiques constituent un candidat unique et prometteur pour les applications d'intérieur telles que l'alimentation de l'internet des objets."

Dans les années à venir, le nouvel accepteur de cellules OPV développé par cette équipe de chercheurs pourrait être utilisé pour créer des dispositifs plus économes en énergie. Dans leurs travaux futurs, Bergqvist, Gao et leurs collègues prévoient de continuer à développer l'accepteur avec Jianhou Hou de l'Académie chinoise des sciences, en recherchant de nouveaux moyens d'améliorer ses performances.

Par exemple, augmenter le photocourant pourrait entraîner une augmentation supplémentaire du rendement de conversion de puissance. Les calculs effectués par les chercheurs suggèrent qu'il serait théoriquement possible de pousser son efficacité de conversion d'énergie au-dessus de 40%.

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