Une nouvelle étude menée par une équipe de l’Université des sciences et technologies (KAUST) en Arabie saoudite offre un aperçu au niveau moléculaire d’une famille de matériaux pour cellules solaires organiques, connus sous le nom d’accepteurs non-fullerènes de la série Y (Y-NFAs). Cette découverte pourrait aider à améliorer leur stabilité en extérieur et ouvrir la voie à de nombreuses applications.
Principaux enseignements
| Une famille de matériaux pour cellules solaires organiques avec des propriétés idéales pour les photovoltaïques organiques. |
| La relation entre la structure moléculaire et la stabilité des Y-NFAs est floue, et leur performance stable dans des conditions d’exploitation réelles reste insaisissable. |
| Les groupes d’extrémité fonctionnels portant du fluor et les longues chaînes d’hydrocarbures au sein des molécules de Y-NFA améliorent la stabilité en extérieur et les protègent contre la photodégradation. |
Les cellules solaires organiques : un potentiel énorme
Les cellules solaires organiques, légères, flexibles, quasi-transparentes et adaptées à la fabrication à grande échelle, sont devenues le centre d’intérêt de la recherche en énergie renouvelable. Les efforts pour augmenter les rendements de conversion d’énergie ont conduit les chercheurs à introduire les Y-NFAs dans la couche active de ces dispositifs, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour des cellules solaires à haute efficacité.
« Les Y-NFAs ont des spectres d’absorption larges, des niveaux d’énergie ajustables et d’excellentes propriétés de transport de charge, ce qui en fait des composants idéaux pour les photovoltaïques organiques, » explique Han Xu, un doctorant du groupe de Derya Baran.
Défis et découvertes
L’équipe de recherche a réussi à produire des dispositifs avec des rendements record de 19%, mais la relation entre leur structure moléculaire et leur stabilité reste floue. La performance stable des cellules solaires basées sur Y-NFA dans des conditions d’exploitation réelles reste également insaisissable, entravant la commercialisation de ces dispositifs.
La stabilité, aussi importante que l’efficacité, est essentielle lors de l’évaluation des cellules solaires. La durée de vie du dispositif dépend de facteurs tels que l’humidité et l’oxygène ambiants, l’exposition à la lumière et la chaleur.
« L’évaluation en extérieur, par rapport aux évaluations de stabilité à l’échelle du laboratoire, est la manière la plus proche d’évaluer la performance réelle d’une cellule solaire », précise Han Xu.
Pour empêcher l’humidité et l’oxygène de pénétrer dans les dispositifs et contrer leurs effets, ils les ont enveloppés dans du polyuréthane thermoplastique et ont mesuré leurs performances en utilisant la lumière du soleil comme source lumineuse.
« Nos tests ont révélé que les cellules solaires organiques fonctionnant à l’extérieur présentaient des changements de performance mineurs à 65 degrés Celsius et que la stabilité globale des cellules solaires était liée à leur photostabilité », ajoute Han Xu. Cela suggère que la lumière est le principal facteur régissant la durée de vie des dispositifs à l’extérieur. « L’amélioration de la photostabilité des matériaux de la couche active est cruciale pour améliorer la durée de vie des cellules solaires à l’extérieur », ajoute-t-il.
En synthèse
Baran, Xu et leurs collègues ont évalué la stabilité en extérieur de diverses cellules solaires basées sur Y-NFA dans des conditions climatiques saoudiennes extrêmement chaudes pour comprendre la relation entre la structure et la stabilité de ces dispositifs et guider la conception de petites molécules qui donneraient des dispositifs à haute performance avec une stabilité améliorée.
Ils ont découvert que les groupes d’extrémité fonctionnels portant du fluor et les longues chaînes d’hydrocarbures au sein des molécules de Y-NFA amélioraient la stabilité en extérieur et les protégeaient contre la photo-dégradation, ce qui est crucial pour préserver l’efficacité et la longévité des cellules solaires Y-NFA en extérieur.
Les chercheurs prévoient des collaborations internationales pour effectuer des tests de stabilité en extérieur sur différents dispositifs dans divers environnements. Ils travaillent également à la fabrication de dispositifs prêts pour le marché.
« La fabrication de dispositifs de grande surface est indispensable pour la commercialisation, ce qui nécessite l’intégration de plusieurs technologies », conclut Han Xu.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que les Y-NFAs ?
Les Y-NFAs, ou accepteurs non-fullerènes de la série Y, sont une famille de matériaux pour cellules solaires organiques. Ils ont des spectres d’absorption larges, des niveaux d’énergie ajustables et d’excellentes propriétés de transport de charge.
Pourquoi les Y-NFAs sont-ils importants pour les cellules solaires organiques ?
Les Y-NFAs sont introduits dans la couche active des cellules solaires organiques pour augmenter les rendements de conversion d’énergie. Ils sont idéaux pour les photovoltaïques organiques en raison de leurs propriétés.
Quels sont les défis liés à l’utilisation des Y-NFAs ?
La relation entre la structure moléculaire des Y-NFAs et leur stabilité reste floue. De plus, la performance stable des cellules solaires basées sur Y-NFA dans des conditions d’exploitation réelles reste insaisissable, ce qui entrave leur commercialisation.
Qu’a découvert l’équipe de recherche sur la stabilité des Y-NFAs ?
L’équipe a découvert que les groupes d’extrémité fonctionnels portant du fluor et les longues chaînes d’hydrocarbures au sein des molécules de Y-NFA améliorent la stabilité en extérieur et les protègent contre la photodégradation.
Quelles sont les prochaines étapes pour l’équipe de recherche ?
L’équipe prévoit des collaborations internationales pour effectuer des tests de stabilité en extérieur sur différents dispositifs dans divers environnements. Ils travaillent également à la fabrication de dispositifs prêts pour le marché.
Source : Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST)
Légende illustration principale : La stabilité et l’efficacité sont des éléments essentiels dans l’évaluation des cellules solaires. Les cellules solaires organiques (photo) ont été testées dans des conditions climatiques saoudiennes extrêmement chaudes afin d’évaluer leur stabilité. 2023 KAUST.
Xu, H., Han, J., Chen, S., Liu, Y, Hernandez, L. H., Bertrandie, J., Babics, M., Alam, S., Villalva, D. R Paleti, S. H. K., Gorenflot, J., Herok, C., Ramos, N., Troughton, J., Sharma, A., Marder, T. B., Engels, B., Martin, J., De Wolf, S., Laquai, F. & Baran, D. Dissecting the structure–stability relationship of Y-series electron acceptors for real-world solar cell applications. Joule 7, 2135–2151 (2023).| article
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