Deux miroirs repoussent les limites physiques des cellules organiques

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Une équipe de chercheurs menée par Koen Vandewal à l’Université de Hasselt en Belgique, prétend avoir réduit les pertes de tension électrique dans les cellules solaires organiques en utilisant un état exotique de la matière nommé polariton. Leur article paru ce mois dans la revue scientifique Nature Communications explique comment manipuler cet état quantique entre la matière et la lumière pour altérer les couleurs absorbées par les cellules solaires organiques et ainsi réduire leurs pertes.

« Dans une cellule solaire, on veut toujours récupérer un maximum de l’énergie transportée par la lumière et la transformer en électricité », explique Koen Vanderwal. En pratique, cet objectif n’est que partiellement atteint. Dans les cellules solaires organiques, une fraction importante de la lumière est transformée en vibrations intramoléculaires et en chaleur. C’est une des raisons pour lesquelles le rendement attendu des cellules organiques n’est que de 25%, face à 32% pour les cellules solaires à base de silicium.

En principe, il est possible d’atténuer ces pertes internes en travaillant avec des matériaux qui ont un gap (l’énergie qu’il faut apporter à chaque électron pour lui permettre de porter un courant) plus étroit. Mais jusqu’à présent, un gap plus étroit dans le matériau actif de la cellule solaire impliquait également une tension générée plus faible, et par conséquent un rendement final de conversion d’énergie plus bas.

Maintenir la tension

Pour libérer cette contrainte, Koen Vandewal a collaboré avec des chercheurs à l’Université de St Andrews en Écosse, à l’Université technique de Dresde en Allemagne, ainsi qu’à Heliatek, une spin-off de l’Université de Dresde qui commercialise depuis 2006 des cellules solaires organiques. L’équipe a déposé des cellules solaires organiques entre deux fines couches d’argent séparées d’une distance nanoscopique. L’une de ces couches était réfléchissante, l’autre était semi-réfléchissante pour permettre à la lumière d’entrer dans la cellule.

En optimisant la distance entre les deux miroirs, les chercheurs affirment avoir piégé les photons dans leurs dispositif et généré des polaritons, un état électronique qui suscite l’intérêt des physiciens car il force permet aux photons et électrons de cohabiter dans un état hybride entre la lumière et la matière.

Ce couplage fort entre lumière et matière permet d’absorber des photons de plus faible énergie sans pour autant réduire le gap du matériau organique. « Ce n’est pas vraiment un nouveau matériau, » explique Koen Vanderwal. « C’est un mélange entre un photon et une particule, ce qui permet à la cellule solaire d’absorber de la lumière d’energie plus basse sans perdre la tension qu’elle génére. »

Maintenant le courant

Les auteurs de l’article préviennent que leur découverte requerra plus de travail pour appliquer les polaritons à la production industrielle de cellules solaires organiques. « Ce ne sera pas simple à commercialiser », explique Donato Spoltore à l’Université technique de Dresde. « Le miroir semi-transparent à la surface de la cellule solaire nous permet de piéger la lumière, mais il réfléchit également une partie de la lumière incidente, ce qui réduit le courant généré par la cellule et donc son rendement. »

Donato Spoltore précise que, actuellement, les dispositifs fabriqués  pour l’étude ne gagnent pas en efficacité finale car le miroir leur fait perdre trop de courant. Mais son équipe prévoit déjà une structure tandem qui permettra de réduire les pertes de lumière tout en préservant les avantages des polaritons.

« Ce ne sera pas facile », admet Koen Vandewal, qui se penche actuellement sur des méthodes pour contourner le problème. « Mais la recherche n’est jamais facile. Nous travaillons dessus en tout cas. »