Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells

Cette étude démontre que l'architecture de séparation spectrale RAINBOW évolutive, qui utilise des sous-cellules à mélange ternaire pour optimiser les bandes interdites et minimiser les défis de fabrication, peut augmenter l'efficacité des photovoltaïques organiques de 12,9 % dans les dispositifs à jonction unique à 17,3 % dans les configurations à trois jonctions, confirmant ainsi sa viabilité pour des cellules solaires haute performance et manufacturables.

L'essentiel

Imaginez que vous essayiez de recueillir de l'eau de pluie en utilisant un seul seau large. Si la pluie est légère, vous en recueillez un peu. S'il s'agit d'un orage violent, votre seau déborde et vous perdez l'excès d'eau. C'est exactement ainsi que fonctionnent aujourd'hui les cellules solaires traditionnelles : elles sont constituées d'un seul matériau capable de « capter » uniquement les photons (particules de lumière) d'une énergie spécifique. Si la lumière est trop faible, le matériau l'ignore. Si la lumière est trop intense, le matériau la capte mais gaspille l'énergie excédentaire sous forme de chaleur.

Les chercheurs de cet article tentent de construire un meilleur « système de collecte de pluie » en utilisant une nouvelle conception ingénieuse appelée RAINBOW.

Le problème de l'ancienne méthode (l'empilement)

Habituellement, pour capter davantage de types de lumière, les scientifiques empilent différentes cellules solaires les unes sur les autres, comme un sandwich. La couche supérieure capte la lumière vive et à haute énergie, et laisse le reste passer vers la couche inférieure. Mais cela est difficile à réaliser. C'est comme essayer d'empiler parfaitement des crêpes délicates ; si elles ne s'alignent pas exactement, l'ensemble s'effondre ou cesse de fonctionner. De plus, les couches doivent correspondre parfaitement en termes de production d'électricité, ce qui est un casse-tête pour les fabricants.

La nouvelle idée : l'approche RAINBOW

Au lieu d'empiler les cellules verticalement, les chercheurs les ont disposées côte à côte, comme des carreaux sur un sol. Ils utilisent un miroir optique spécial (l'« élément optique ») pour décomposer la lumière du soleil comme un prisme, envoyant différentes couleurs de lumière vers des carreaux différents.

• La lumière bleue va au « Carreau Bleu ».
• La lumière verte va au « Carreau Vert ».
• La lumière rouge va au « Carreau Rouge ».

Comme ils sont côte à côte, ils n'ont pas besoin d'être parfaitement empilés et n'ont pas besoin de correspondre exactement en termes de production électrique. Cela les rend beaucoup plus faciles à fabriquer en utilisant des outils larges et évolutifs comme une raclette (un procédé appelé enduction par lame).

La pièce manquante : le mélange « ternaire »

L'équipe a constaté que, tandis que les « Carreaux Bleu » et « Vert » fonctionnaient bien, le « Carreau Rouge » (qui capte la lumière infrarouge lointaine, la moins énergétique) peinait. C'était comme un seau percé au fond ; il pouvait capter l'eau, mais il perdait beaucoup d'énergie.

Pour résoudre ce problème, ils n'ont pas utilisé un seul matériau pour le Carreau Rouge. Ils ont créé un mélange ternaire.
Pensez à un mélange binaire comme un smoothie fait de seulement deux fruits (Donneur et Accepteur). Un mélange ternaire ajoute un troisième fruit.

• Ils ont pris leur matériau rouge qui peinait et y ont mélangé un troisième ingrédient.
• Ce troisième ingrédient agissait comme un « pont » ou un « aide ». Il aidait l'électricité à mieux circuler et stoppait les fuites d'énergie.
• Plus précisément, ils ont mélangé un matériau appelé COTIC-4F (le principal capteur) avec BTP-eC9 (l'aide).

Ce nouveau mélange à trois parties n'a pas seulement capté la même quantité de lumière ; il l'a captée plus efficacement, transformant davantage de cette lumière en électricité.

Les résultats : une meilleure capture

L'équipe a testé cette idée de deux manières :

1. Simulations informatiques : Ils ont modélisé ce qui se passerait s'ils combinaient ces carreaux. Ils ont constaté qu'un système à 2 jonctions (Bleu + Rouge) pouvait atteindre 16,4 % d'efficacité, et qu'un système à 3 jonctions (Bleu + Vert + Rouge) pouvait atteindre 17,7 %.
2. Tests réels : Ils ont effectivement construit ces dispositifs côte à côte en utilisant leur méthode d'enduction par lame. Les résultats étaient très proches des simulations :
   • Dispositif à 2 jonctions : 15,9 % d'efficacité.
   • Dispositif à 3 jonctions : 17,3 % d'efficacité.

C'est un bond important par rapport à leurs dispositifs à matériau unique, qui n'atteignaient que environ 12,9 %.

Perspectives futures

L'article conclut que cette conception « RAINBOW » est une voie très prometteuse et évolutive pour rendre les cellules solaires organiques plus efficaces. Cependant, ils notent un dernier obstacle : pour pousser l'efficacité encore plus haut, ils doivent trouver des matériaux qui sont vraiment bons pour capter la lumière bleue à très haute énergie (large bande interdite). Actuellement, ces matériaux ne sont pas encore tout à fait aussi bons que ceux pour le rouge et le vert.

En résumé : En disposant les cellules solaires côte à côte au lieu de les empiler, et en ajoutant un « troisième ingrédient » au matériau captant la lumière rouge pour réparer ses fuites, l'équipe a créé une conception de cellule solaire plus facile à fabriquer et captant significativement plus d'énergie du soleil.

Résumé technique

Résumé Technique : Exploration du Potentiel du Mélange Ternaire pour les Cellules Solaires RAINBOW à Deux et Trois Jonctions

Énoncé du Problème
Les photovoltaïques organiques (OPV) ont récemment dépassé les 20 % d'efficacité dans les dispositifs à jonction unique, mais ils restent fondamentalement limités par le désaccord spectral entre le spectre solaire incident et la bande interdite du matériau photoactif. Bien que les architectures multijonctions (tandems) offrent une voie vers des efficacités supérieures en réduisant les pertes par thermalisation et par absorption, les configurations empilées verticalement font face à des obstacles de fabrication significatifs, notamment des contraintes d'appariement des courants, des couches d'interconnexion complexes et des problèmes d'évolutivité. L'architecture « RAINBOW » propose une solution en plaçant les sous-cellules côte à côte et en les connectant extérieurement, en utilisant des éléments optiques pour diviser latéralement la lumière incidente. Cependant, la performance des dispositifs RAINBOW est actuellement contrainte par la disponibilité de matériaux hautement efficaces sur tout le spectre des bandes interdites, en particulier pour les régimes à bande interdite étroite (NBG, <1,3 eV) et large (WBG, >1,7 eV). De plus, les systèmes NBG existants, tels que PTB7-Th:COTIC-4F, souffrent souvent d'une faible tension en circuit ouvert ($V_{oc}$) et d'une extraction de charge inefficace, limitant leur utilité en tant que sous-cellules rouges.

Méthodologie
L'étude emploie une approche multifacette combinant le criblage de matériaux, l'optimisation de mélanges ternaires, la simulation de dispositifs et une fabrication évolutives :

1. Criblage de Matériaux et Optimisation Ternaire : Les auteurs ont évalué sept systèmes binaires donneur-accepteur couvrant des bandes interdites allant de 1,98 eV à 1,16 eV. Reconnaissant les limites du système binaire NBG PTB7-Th:COTIC-4F, ils ont exploré des mélanges ternaires en incorporant un troisième composant (soit un deuxième accepteur, soit un dérivé du fullerène) pour ajuster la $V_{oc}$ et améliorer le transport de charge. Cinq systèmes ternaires spécifiques ont été testés, avec un accent mis sur le système ternaire PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9.
2. Caractérisation : Les dispositifs ont été fabriqués à l'aide d'un enduction par lame à haut débit avec des gradients d'épaisseur pour déterminer les épaisseurs optimales de la couche active. La caractérisation complète comprenait des mesures courant-tension (JV) sous AM1.5G, un profilage de l'efficacité quantique externe (EQE) et une diffusion des rayons X à grand angle en incidence rasante (GIWAXS) basée sur un synchrotron pour analyser la microstructure et la cristallinité.
3. Simulation : Des simulations semi-expérimentales ont été menées pour modéliser les configurations RAINBOW à 2 jonctions et 3 jonctions. Ces modèles ont utilisé des paramètres JV expérimentaux et des courbes EQE pour calculer les courants partiels et les efficacités pour différentes longueurs d'onde de division spectrale ($\lambda_{div}$).
4. Fabrication de Preuve de Concept : Des dispositifs RAINBOW monolithiques ont été fabriqués en utilisant un enduction par lame guidée par ménisque évolutif, déposant jusqu'à six matériaux actifs différents côte à côte sur un seul substrat. Ces dispositifs ont été caractérisés sous des spectres partiels personnalisés générés par un simulateur solaire LED programmable pour imiter les conditions de fonctionnement RAINBOW.
5. Analyse Théorique : Une limite d'équilibre détaillé modifiée a été calculée pour tenir compte des pertes non radiatives intrinsèques dans les semi-conducteurs organiques, spécifiquement l'énergie de réorganisation, afin d'estimer le plafond théorique pour cette géométrie.

Contributions et Résultats Clés

• Mélange Ternaire pour les Sous-cellules NBG : L'étude démontre que le mélange ternaire est une stratégie efficace pour surmonter les limitations des systèmes binaires NBG. Plus précisément, le mélange ternaire PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 (optimisé à un ratio de 1:0,6:0,9) a considérablement amélioré la performance de la sous-cellule rouge. Alors que le binaire PTB7-Th:COTIC-4F n'atteignait qu'une efficacité de 6,62 % avec une faible $V_{oc}$ de 0,54 V, le mélange ternaire a atteint une efficacité de 8,71 % avec une $V_{oc}$ accrue de 0,60 V. Crucialement, le mélange ternaire a maintenu l'absorption étendue dans le proche infrarouge (jusqu'à 1100 nm) tout en améliorant l'efficacité d'extraction de charge, comme en témoignent des valeurs EQE plus élevées dans la région d'absorption partagée. L'analyse GIWAXS a révélé que, bien que la microstructure soit dominée par COTIC-4F, l'alignement des niveaux d'énergie dans le système ternaire a facilité un transfert d'électrons en cascade de COTIC-4F vers BTP-eC9, réduisant les pertes par recombinaison.
• Simulation des Configurations Multijonctions : Les simulations ont identifié que les efficacités théoriques les plus élevées pour les dispositifs RAINBOW dépendent de l'inclusion de ces mélanges ternaires optimisés.
  • 2 Jonctions : La configuration optimale (PTQ10:FCC-Cl comme cellule bleue et le ternaire PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 comme cellule rouge) a atteint une efficacité de conversion de puissance (PCE) simulée de 16,4 %, une augmentation significative par rapport à la meilleure cellule à jonction unique (12,9 %) et au RAINBOW basé sur le binaire (15,2 %).
  • 3 Jonctions : L'ajout d'une sous-cellule verte (PM6:DTY6) à l'empilement optimal à 2 jonctions a donné une PCE simulée de 17,7 %.
• Validation Expérimentale : Les dispositifs RAINBOW de preuve de concept fabriqués par enduction par lame ont validé les simulations.
  • Le dispositif à 2 jonctions a atteint une PCE expérimentale de 15,9 % (contre 15,1 % pour l'équivalent basé sur le binaire).
  • Le dispositif à 3 jonctions a atteint une PCE expérimentale de 17,3 % (contre 17,0 % pour l'équivalent basé sur le binaire).
  • Ces résultats confirment la viabilité de la méthode de dépôt côte à côte et l'efficacité des mélanges ternaires pour améliorer la performance des multijonctions.
• Limites Théoriques : Les auteurs proposent une limite d'équilibre détaillé révisée pour les OPV intégrant les pertes non radiatives. Ce modèle suggère que l'efficacité théorique maximale pour les OPV à jonction unique est d'environ 27 % à une bande interdite de 1,5 eV (inférieure à la limite standard de Shockley-Queisser de 33 %). Pour les dispositifs RAINBOW multijonctions, le modèle indique que les efficacités peuvent être poussées plus haut, à condition que des matériaux WBG hautement efficaces (>2 eV) avec des courants et des facteurs de remplissage améliorés soient développés.

Signification
L'article établit l'architecture RAINBOW comme une alternative viable et évolutive aux tandems empilés verticalement pour les OPV à haute efficacité. En démontrant que le mélange ternaire peut efficacement ajuster la $V_{oc}$ et les propriétés de transport de charge des matériaux à bande interdite étroite sans sacrifier la couverture spectrale, l'étude fournit une voie concrète pour surmonter les goulots d'étranglement actuels dans la conception des OPV multijonctions. La fabrication réussie de dispositifs à 3 jonctions avec des efficacités approchant 17,3 % en utilisant des méthodes d'enduction par lame évolutives met en évidence le potentiel d'application industrielle. De plus, ce travail souligne que les gains futurs dans cette géométrie sont conditionnés par le développement de matériaux à large bande interdite haute performance, déplaçant le focus de la recherche sur les matériaux vers le régime >2 eV pour réaliser pleinement le potentiel du concept RAINBOW.