Une nouvelle théorie ouvre la voie à la fabrication de cellules solaires plus efficaces

Avec leur nouveau modèle théorique, des professeurs de l'Université de Houston (UH) et de l'Université de Montréal ont peut-être trouvé la clé qui permettrait de développer de meilleurs matériaux pour les cellules solaires.

 

Eric Bittner, titulaire de la Chaire professorale de chimie et de physique John and Rebecca Moores au College of Natural Sciences and Mathematics de l'UH, et Carlos Silva, professeur au Département de physique de l'Université de Montréal et titulaire d'une Chaire de recherche du Canada en matériaux semi-conducteurs organiques, affirment que leur modèle pourrait ouvrir la voie à la création de nouveaux matériaux pour cellules solaires issus d'un assemblage amélioré de polymères et de fullerènes semi-conducteurs.

Les chercheurs décrivent leurs découvertes dans un article intitulé « Noise-Induced Quantum Coherence Drives Photo-Carrier Generation Dynamics at Polymeric Semiconductor Heterojunctions », qui paraîtra le 29 janvier dans Nature Communications, une revue multidisciplinaire qui publie des recherches dans les domaines de la biologie, de la physique et de la chimie.

« Les scientifiques ne savent pas exactement ce qui se passe à l'intérieur des matériaux qui composent les cellules solaires. Notre but était d'élucider les mécanismes photochimiques ou photophysiques fondamentaux qui expliqueraient le fonctionnement de ces cellules », explique le professeur Bittner.

Les cellules solaires sont composées de semi-conducteurs organiques – généralement des assemblages de différents matériaux. Cependant, ces cellules solaires n'ont qu'une efficacité de 3% environ. Le professeur Bittner précise que les tout derniers matériaux, des assemblages de fullerènes et de polymères, atteignent à peine 10% d'efficacité.

« La cellule solaire idéale a une limite d'efficacité théorique : la limite de Shockley-Queisser. La théorie que nous mettons de l'avant explique comment il serait possible de dépasser cette limite théorique en exploitant les effets de mécanique quantique. Nous croyons qu'il sera possible d'améliorer l'efficacité des cellules solaires lorsque ces effets auront été compris et intégrés dans la conception des cellules. »

Le professeur Silva ajoute : « Dans les semi-conducteurs polymériques, où des plastiques forment la couche active des cellules solaires, la structure électronique du matériau est étroitement corrélée au mouvement vibratoire à l'intérieur de la chaîne des polymères. Les effets de mécanique quantique associés à ce couplage entre les vibrations et les électrons donnent lieu à une pléthore de phénomènes physiques intéressants qui peuvent être contrôlés pour optimiser l'efficacité des cellules solaires, en concevant par exemple des matériaux qui exploitent ces effets au maximum. »

L'idée du modèle a pris forme durant une période où Eric Bittner, titulaire d'une bourse d'études Fulbright du Canada, occupait un poste de professeur invité à l'Université de Montréal et collaborait avec Carlos Silva, un expert en spectroscopie ultrarapide au laser et en semi-conducteurs organiques.

Le professeur Bittner affirme que la qualité du modèle réside dans sa capacité à décrire ce qui se passe à l'intérieur d'une cellule solaire.

« Notre modèle théorique accomplit des choses qu'un modèle moléculaire ne pourrait pas faire. C'est d'abord et avant tout un modèle mathématique, qui nous permet de modéliser des systèmes beaucoup plus grands, comptant des milliers de molécules. On ne peut pas faire des calculs de chimie quantique conventionnels avec des systèmes de cette taille. »

Ces calculs ont mené le groupe de recherche du professeur Silva à imaginer une série de nouvelles expériences pour tester les prédictions du modèle.

Les prochaines étapes, selon les scientifiques, se feront en collaboration avec des chercheurs experts en synthèse de polymères et en fabrication de cellules solaires.

Les travaux à l'UH ont été financés par la Robert Welch Foundation et la National Science Foundation. Les travaux au Canada ont bénéficié du soutien du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.

Cet article est publié avec l'aimable autorisation de Kathy Major, College of Natural Sciences and Mathematics.

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