Progrès dans les matériaux organiques pour les cellules solaires

Les cellules solaires en pérovskite (PVSC) sont de plus en plus populaires pour produire de l'énergie solaire. Depuis leur arrivée en 2009, leur efficacité a beaucoup progressé, les rendant compétitives par rapport aux cellules solaires en silicium classiques. Ces cellules comprennent principalement une couche absorbante de lumière faite de matériau pérovskite, qui est coincée entre deux électrodes. Pour améliorer le transfert de charge dans ces appareils, on utilise des couches appelées couches de transport de trous (HTLs), qui envoient des charges positives de la couche pérovskite vers l'électrode.

Le matériau utilisé pour ces HTLs est super important pour la performance et la stabilité des cellules solaires. Une HTL idéale devrait avoir une forte mobilité des trous, bien s’aligner avec les niveaux d'énergie de la couche pérovskite et rester stable dans différentes conditions. Actuellement, l'un des HTLs les plus performants est le spiro-MeOTAD, mais c'est cher et pas facile à manipuler. Donc, les chercheurs cherchent de nouveaux matériaux organiques qui pourraient faire mieux. Cette étude se concentre sur une classe spécifique de matériaux organiques connus sous le nom d'hétérocycles diacénafto-étendus (DAHs) pour une utilisation dans les HTLs.

#Importance des cristaux moléculaires organiques

Les cristaux moléculaires organiques (OMCs) sont un type de matériau prometteur pour les HTLs parce qu'ils peuvent offrir une mobilité des trous très élevée, ce qui est essentiel pour un bon transport de charge dans les cellules solaires. L'objectif est de trouver des matériaux qui gardent leur structure tout en permettant un mouvement facile des porteurs de charge. La recherche utilise des simulations informatiques pour analyser différentes structures de DAH et filtrer leurs propriétés efficacement.

En faisant des calculs sur plusieurs dérivés de DAH, l'idée est de dénicher des matériaux qui peuvent être synthétisés facilement et qui ont les propriétés requises pour une utilisation dans les cellules solaires. Ces propriétés incluent de bonnes capacités de transport de charge, de la stabilité et un potentiel de production à moindre coût.

#Méthodologie

Pour évaluer les candidats potentiels, on utilise une méthode appelée dépistage à haut débit. Les chercheurs ont créé des modèles capables de simuler comment différents molécules DAH se comporteraient dans un cadre de cellule solaire. Ils se sont concentrés sur le calcul de plusieurs propriétés clés :

1. Structure de bande et espace de bande : Comprendre comment bien le matériau peut conduire l'électricité.
2. Mobilité des trous : La vitesse à laquelle les charges positives peuvent se déplacer à travers le matériau.
3. Énergie de réorganisation : L'énergie nécessaire pour que le matériau s'ajuste lorsque charge se déplace à travers lui.

Ces propriétés ont été évaluées grâce à des simulations informatiques, permettant aux chercheurs d'analyser rapidement un grand nombre de matériaux. En testant 74 dérivés de DAH différents, ils ont pu déterminer lesquels avaient de meilleures capacités de transport de charge.

#Résultats

1. Propriétés électroniques

Les premières découvertes ont montré que différentes structures de DAH avaient des propriétés électroniques uniques. Les matériaux ont été classés en fonction de leurs espaces de bande, qui jouent un rôle crucial dans leur capacité à conduire l’électricité. Les résultats ont révélé que la structure de base du DAH avait des caractéristiques favorables par rapport à d'autres matériaux organiques.

2. Mobilité des trous

L'étude a montré que la mobilité des trous varie considérablement parmi les différents dérivés de DAH. Les matériaux les plus performants ont montré des mobilités des trous élevées, cruciales pour améliorer l'efficacité des cellules solaires. Les chercheurs ont aussi découvert que l'agencement des molécules dans ces matériaux influence la mobilité. Ceux qui maintenaient une structure de rangement plus ordonnée montraient une meilleure mobilité.

3. Prédictions de structure

Après la phase de dépistage, les chercheurs ont prédit les structures cristallines des meilleurs candidats. En générant des structures cristallines potentielles et en calculant leurs énergies, ils ont déterminé lesquels des candidats performance probable serait le meilleur dans des applications réelles. Les structures prédites présentaient une caractéristique commune de conditionnement qui améliore le transport de charge.

#Conclusions

La recherche a réussi à identifier plusieurs nouveaux matériaux organiques qui peuvent servir de couches de transport de trous efficaces dans les cellules solaires en pérovskite. En utilisant des modèles computationnels, l'équipe a pu filtrer rapidement une grande variété de dérivés, économisant du temps et des ressources dans le processus de recherche et de développement. Les résultats montrent que certains groupes fonctionnels, comme ceux contenant du soufre, peuvent considérablement améliorer la mobilité des trous, les rendant prometteurs pour d'autres études et une utilisation pratique future.

#Directions futures

Pour l'avenir, les chercheurs vont se concentrer sur la synthèse des candidats les plus prometteurs identifiés dans l'étude pour vérifier leurs résultats théoriques. D'autres études seront également menées pour explorer comment des facteurs environnementaux comme la température et l'humidité peuvent influencer la performance de ces matériaux dans de vraies cellules solaires.

En résumé, cette recherche ouvre de nouvelles voies pour développer des cellules solaires à haute efficacité en utilisant des matériaux organiques nouveaux qui pourraient potentiellement mener à des solutions d'énergie solaire plus abordables et efficaces.