Cellules solaires organiques : la tension, principal frein au rendement, pourrait avoir une frontière

Pour rapprocher les cellules solaires organiques de 20 % de rendement, il faut réduire l’énergie perdue sous forme de tension, et une cartographie précise des niveaux d’énergie offre une piste. Des chercheurs japonais viennent d’y repérer une frontière thermodynamique pratique, qui lie la production de courant à ces pertes.

Un rendement proche de 20 %, freiné par la tension

Les cellules solaires organiques reposent sur des semi-conducteurs à base de carbone. Elles sont légères, potentiellement peu coûteuses et adaptées aux usages flexibles. Leur rendement de conversion a approché 20 %, selon Tech Xplore, mais les pertes de tension demeurent un obstacle majeur à de nouveaux progrès.

L’équipe était dirigée par le professeur Hirohiko Fukagawa, du Center for Frontier Science de l’Université de Chiba, au Japon. Elle comptait Takahisa Shimizu et Taku Oono, des laboratoires de recherche de NHK, ainsi que Takuji Hatakeyama, de l’Université de Kyoto. L’étude a été publiée en ligne dans Advanced Materials le 7 octobre 2026.

De la lumière à l’électricité, là où l’énergie se perd

Dans ces cellules, le matériau donneur absorbe la lumière et crée des états excités. Un électron peut alors passer vers le matériau accepteur et former un état à transfert de charge, dit CT, où l’électron et le trou restent liés l’un à l’autre.

Pour produire de l’électricité, ces charges doivent ensuite se séparer en charges libres. L’énergie de l’état CT influence la tension que la cellule peut délivrer, et la recombinaison radiative qui l’implique contribue aux pertes de tension. Reste donc à trouver les relations d’énergie qui permettent une génération efficace de charges sans creuser ces pertes.

Un dispositif volontairement simplifié

Les chercheurs ont bâti des cellules à couches séparées de donneur et d’accepteur. Le donneur absorbait la lumière visible, tandis que l’accepteur restait transparent à la lumière solaire.

Les énergies d’ionisation et les affinités électroniques ont été mesurées à l’état solide, par spectroscopie de photoélectrons UV et par spectroscopie de photoélectrons inverse à basse énergie. Ces mesures reflètent des conditions plus proches de celles d’une cellule réelle.

Une frontière thermodynamique et le rôle de la rigidité

L’écart entre le gap optique du donneur et l’énergie des charges séparées s’est révélé déterminant pour maintenir le photocourant. Quand ces deux valeurs se rapprochent, une frontière thermodynamique pratique apparaît. Le rendement de conversion avait aussi tendance à augmenter près de cette limite, ce qui pourrait aider à conserver le courant tout en limitant les pertes de tension.

Les donneurs plus rigides étaient associés à moins de relaxation et de dispersion énergétique de l’état CT. Dans plusieurs systèmes, l’énergie de liaison CT effective atteignait 0,1 eV ou moins, signe que l’état CT se situait près de l’énergie des charges séparées. Contrôler cette énergie par la conception moléculaire pourrait donc réduire les pertes de tension. Cette énergie dépend toutefois aussi de la délocalisation des charges, de l’empilement moléculaire et de l’environnement électrostatique à l’interface donneur-accepteur.

« In this study, we focused not only on whether a CT state can be formed, but also on whether electrons and holes can then reach a free charge state in which they are sufficiently separated », explique Hirohiko Fukagawa, professeur à l’Université de Chiba. Ces résultats pourraient fournir des lignes directrices de conception et aider à explorer les limites de rendement des cellules organiques.

Le chercheur pose une condition : ces principes devraient d’abord être intégrés à des matériaux pratiques à hétérojonction en volume. À plus long terme, de tels dispositifs pourraient rendre la récupération d’énergie solaire plus pertinente dans des applications légères, flexibles ou à espace limité, difficiles pour les modules en silicium.

Photo : Tara Winstead / Pexels