Des matériaux polymères innovants sont capables de capter l’énergie solaire dans des environnements extérieurs extrêmes

Han Xu | Postdoc

Les cellules solaires de nouvelle génération fabriquées à partir de matériaux organiques pourraient bientôt contribuer à la production d’énergie renouvelable dans le monde réel, comme le suggère un test de résistance en extérieur mené sous le soleil intense d’Arabie saoudite. L’étude à long terme a montré que certains matériaux organiques captant la lumière sont étonnamment résistants à la « photodégradation » induite par la lumière et a révélé de nouvelles façons d’optimiser la longévité des cellules dans des conditions réaliste.

Légères, semi-transparentes et flexibles, les cellules solaires organiques (OSC) pourraient être utilisées dans toute une série de situations où les panneaux solaires classiques en silicium seraient trop lourds, trop rigides ou trop opaques pour être déployés. « Récemment, les rendements de conversion de l’énergie solaire (PCE) des OSC se sont rapidement améliorés, dépassant les 20 % en laboratoire », déclare Han Xu, post-doctorant dans le laboratoire KAUST de Derya Baran, qui a dirigé la recherche avec Jianhua Han, post-doctorant à l’époque. « Toutefois, l’amélioration de la stabilité à long terme des OSC n’a pas fait l’objet d’une attention particulière, ce qui reste un obstacle majeur à la viabilité commerciale », ajoute-t-il.

Les performances d’un OSC peuvent chuter brutalement lorsqu’il est exposé à la chaleur, à la lumière et à l’humidité des environnements extérieurs ; cela se produit par des voies de dégradation qui sont mal comprises. « Pour combler ce manque de connaissances, nous avons systématiquement étudié le comportement de dégradation de divers OSC sous l’effet de la lumière, du stress thermique et des conditions extérieures », explique M. Xu.

Les chercheurs se sont concentrés sur un composant du noyau de récolte de lumière de l’OSC appelé le donneur de polymère. Les voies de photodégradation de ces matériaux ont rarement été étudiées, malgré leur rôle crucial dans l’absorption de la lumière, la génération de charges et le transport des OSC.

L’équipe a fabriqué une série d’OSC incorporant différents donneurs de polymères et a étudié l’impact de facteurs tels que la structure moléculaire du polymère sur la longévité de l’OSC.

Il s’est avéré que le point faible de la photodégradation clé des donneurs de polymères était les chaînes latérales qui se ramifient à partir de l’épine dorsale moléculaire centrale des polymères. L’équipe a montré que la lumière pouvait arracher un atome d’hydrogène à une chaîne latérale ou la rompre complètement, ce qui provoquait des dommages en cascade. « Il peut en résulter des sous-produits tels que des chaînes latérales clivées, des radicaux, des squelettes de polymères tordus et des structures réticulées », indique M. Xu.

L’équipe a toutefois montré que certaines chaînes latérales étaient beaucoup moins sensibles que d’autres à cette forme de dommages causés par la lumière. « Dans notre étude, les OSC incorporant le polymère donneur PCE10, qui présente des chaînes latérales robustes, ont conservé 91 % de leur PCE même après sept mois d’essais de stabilité à l’extérieur », dit encore M. Xu.

« Il est également intéressant de noter que certains OSC peuvent survivre à des conditions environnementales difficiles sur une longue période », ajoute pour sa part M. Baran. La stabilité exceptionnelle du PCE10 a été une surprise, ajoute-t-elle, car des résultats antérieurs avaient montré que le PCE10 était photo-instable dans l’air. Pour ses essais en extérieur, l’équipe a encapsulé ses OSC afin d’exclure l’air et l’humidité du dispositif. Dans ces conditions, le PCE10 s’est révélé remarquablement résistant à la dégradation, malgré un ensoleillement intense et des températures maximales de plus de 65 °C.

L’étude montre que les OSC doivent être optimisés non seulement pour leur efficacité initiale de conversion de l’énergie, mais aussi pour le maintien de cette efficacité au fil du temps dans les environnements extérieurs, explique M. Baran.

Sur la base de ces résultats, la prochaine étape de l’équipe consistera à tester un nouvel ensemble d’OSC, en les soumettant à diverses conditions auxquelles les cellules solaires pourraient être exposées dans différents environnements extérieurs à travers le monde.

Légende illustration : les cellules solaires organiques (OSC) sont légères, semi-transparentes, flexibles et, désormais, très durables. L’équipe de la KAUST a mis au point des OSC qui conservent une efficacité durable, même dans des conditions environnementales difficiles. 2025 KAUST.

Xu, H., Han, J., Babics, M., Huerta Hernandez, L., Rosas Villalva, D., Sanviti, M., Bertrandie, J., Zhang, Y., Liu, Y., Chen, H., Zhao, L., Troughton, J., Martin, J., Laquai, F., De Wolf, S., Baran, D. Elucidating the photodegradation pathways of polymer donors for organic solar cells with seven months of outdoor operational stability. Nature Photonics (2025).| article