Comment les cellules solaires organiques (vraiment) le travail
Alors que les scientifiques continuent de débattre de la façon dont les cellules solaires organiques convertissent la lumière solaire en électricité, une étude récente suggère la théorie prédominante de travail est incorrect.
Les résultats, publiés dans la revue Nature Materials. pourrait orienter les efforts futurs pour concevoir des matériaux qui améliorent la performance des cellules organiques.
« Nous savons que l'énergie photovoltaïque organiques sont très bons », explique l'étude co-auteur Michael McGehee, professeur de science des matériaux et de l'ingénierie à l'Université de Stanford. « La question est, pourquoi sont-ils si bons? La réponse est sujette à controverse « .
Quelles sont les causes de la scission?
Une cellule solaire organique typique est constitué de deux couches semi-conductrices à base de polymères plastiques et d'autres matériaux flexibles. La cellule produit de l'électricité en absorbant des particules de lumière ou de photons.
Lorsque la cellule absorbe la lumière, un photon assomme un électron dans un atome de polymère, en laissant un espace vide, qui se réfèrent à des scientifiques comme un trou. L'électron et le trou forment une paire immédiatement lié appelé un exciton.
Le exciton se divise, ce qui permet l'électron de se déplacer indépendamment vers un trou créé par un autre photon absorbé. Ce mouvement continu d'électrons d'un trou à produire un courant électrique.
Dans l'étude, l'équipe a adressé un débat de longue date sur ce qui provoque l'exciton de diviser.
« Pour générer un courant, vous devez séparer l'électron et le trou », dit l'auteur principal Alberto Salleo, professeur agrégé de science des matériaux et de l'ingénierie à Stanford. « Cela nécessite deux matériaux différents semiconductrices.
Si l'électron est attiré par le matériau B plus de matériau A, il tombe dans un matériau B. En théorie, l'électron doit rester lié au trou même après qu'il tombe.
« La question fondamentale qui a été autour depuis longtemps est, comment cette limite divisée état? »
L'effet chaud
Une explication largement acceptée par les scientifiques est connu comme le « effet exciton chaud. » L'idée est que l'électron transporte de l'énergie supplémentaire quand il tombe de matériau A à la matière B. Cette énergie ajouté donne suffisamment d'électrons excités ( « chaud ») vitesse à échapper du trou.
Mais cette hypothèse ne résiste pas à des tests expérimentaux, selon l'équipe.
« Dans notre étude, nous avons constaté que l'effet de exciton chaud n'existe pas », dit-Salleo. « Nous avons mesuré les émissions optiques des matériaux semi-conducteurs et constaté que l'énergie supplémentaire n'est pas nécessaire de diviser un exciton. »
Quelles sont les causes réellement paires électron-trou pour séparer?
« Nous avons pas vraiment répondu à cette question encore, » dit Salleo. « Nous avons quelques conseils. Nous pensons que la disposition désordonnée des polymères plastiques dans le semi-conducteur pourrait aider l'électron sortir. »
Dans une étude récente, Salleo a découvert que le désordre au niveau moléculaire améliore réellement les performances des polymères semi-conductrices dans les cellules solaires. En se concentrant sur le désordre intrinsèque des polymères plastiques, les chercheurs pourraient concevoir de nouveaux matériaux qui attirent les électrons de l'interface de cellule solaire où les deux couches semi-conductrices se rencontrent, il ajoute.
« Dans les cellules solaires organiques, l'interface est toujours plus désordonnée que la zone plus loin », explique Salleo. « Cela crée un gradient naturel qui aspire l'électron des régions désordonnées dans les régions ordonnées. »
Plus efficace
Les cellules solaires utilisées dans l'expérience ont une efficacité de conversion d'énergie d'environ 9 pour cent. L'équipe de Stanford espère améliorer cette performance en concevant des semi-conducteurs qui profitent de l'interaction entre l'ordre et le désordre.
« Pour faire une meilleure cellule solaire organique, les gens ont cherché des matériaux qui vous donnera un effet plus fort exciton chaud », dit-Salleo. « Ils devraient plutôt essayer de comprendre comment l'électron se éloigne sans qu'il soit chaud. Cette idée est assez controversée. Il est un changement fondamental dans la façon de penser sur la génération photocourant « .
Parmi les contributeurs, les chercheurs de l'Université de Potsdam; l'Institut de photophysique appliquée; l'Université de Californie, Berkeley; l'Université du roi Abdallah de la science et de la technologie; l'École des Mines du Colorado; et l'Université d'Oxford.
Le Centre Stanford for Advanced Molecular Photovoltaics et le Département américain de l'énergie ont appuyé les travaux.