Production à grande échelle de cellules solaires organiques à haut rendement et à impact environnemental minimal. Cela est désormais possible grâce à un nouveau principe de conception mis au point à l’université de Linköping, en Suède. Dans cette étude, publiée dans la revue Nature Energy, les chercheurs ont étudié la forme et l’interaction des molécules dans les cellules solaires organiques.
« Avec l’électrification et le développement de l’intelligence artificielle, nous assisterons probablement à une augmentation significative des besoins en énergie dans le monde. Cette électricité doit provenir de sources écologiquement durables si nous voulons ralentir le changement climatique », indique Feng Gao, professeur d’optoélectronique à la LiU.
Les cellules solaires constituent une source d’énergie verte qui retient l’attention des chercheurs du monde entier. En complément des cellules solaires traditionnelles au silicium, plusieurs variantes alternatives sont en cours de développement. L’une des technologies les plus prometteuses est basée sur des plastiques conducteurs d’électricité – l’électronique organique.
L’avantage des cellules solaires organiques est qu’elles sont relativement bon marché et faciles à fabriquer. En outre, elles sont légères et flexibles, ce qui signifie qu’elles pourraient être placées sur des fenêtres, à l’intérieur ou sur des vêtements pour alimenter l’électronique personnelle. Les cellules solaires organiques sont déjà sur le marché aujourd’hui et leur part devrait augmenter.
L’efficacité des cellules solaires organiques rattrape celle des cellules solaires traditionnelles et elles peuvent convertir environ 20 % des rayons du soleil en électricité. Ce rendement élevé est le résultat de plusieurs années de recherche intensive sur les matériaux et d’études sur l’interaction entre les molécules dans le matériau, ce que l’on appelle la morphologie.
Les cellules solaires organiques sont produites dans un mélange physique qui est ensuite placé sur un substrat et le solvant du mélange s’évapore. Cependant, la solution chimique contient des substances toxiques et dangereuses pour l’environnement.
« Pour réaliser une production de masse de cellules solaires organiques, avec des technologies imprimées par exemple, à grande échelle, nous devons trouver des méthodes qui n’utilisent pas de toxines. Sinon, ce n’est pas bon pour l’environnement ni pour les personnes qui travaillent dans les usines », explique Feng Gao.
Son équipe de recherche, en collaboration avec des collègues chinois et américains, est parvenue à déchiffrer le code permettant de produire des cellules solaires organiques efficaces à l’aide de différents solvants respectueux de l’environnement.
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« Pour choisir le bon solvant, il est important de comprendre l’ensemble du processus de fabrication des cellules solaires. Cela implique de connaître les structures initiales de la solution, d’observer les processus dynamiques pendant l’évaporation et de vérifier la structure finale du film de la cellule solaire », ajoute Rui Zhang, chercheur au département de physique, de chimie et de biologie de la LiU et auteur principal de l’article publié dans Nature Energy.
Les chercheurs de Linköping ont cartographié l’interaction moléculaire entre les matériaux transportant les électrons et le solvant lui-même en utilisant une série de techniques avancées de rayons X synchrotron et de neutrons. Grâce à cela, les chercheurs ont pu développer un principe de conception qui fonctionne pour de nombreux solvants inoffensifs différents. À terme, ils espèrent que même l’eau pourra servir de solvant.
Selon les chercheurs, comprendre le lien entre la morphologie et les performances des cellules solaires organiques est un défi majeur, car ils doivent étudier le mouvement ultra-rapide des électrons (le transport de charge) depuis le matériau qui libère les électrons jusqu’au matériau récepteur. Ces processus se produisent dans des structures à l’échelle nanométrique et aux interfaces moléculaires. Selon Feng Gao, la voie vers des cellules solaires organiques respectueuses de l’environnement est désormais ouverte.
« Grâce à une méthode de fabrication sans toxines, nous avons désormais beaucoup plus de chances de commercialiser cette technologie à grande échelle. »
Légende illustration : Rui Zhang, chercheur au département de physique, de chimie et de biologie de la LiU. Crédit : Thor Balkhed
Article : « Equally High Efficiencies of Organic Solar Cells Processed from Different Solvents Reveal Key Factors for Morphology Control » – DOI: 10.1038/s41560-024-01678-5
