Améliorer l’éclat vert des cellules solaires organiques

Les cellules solaires organiques pourraient être rendues encore plus écologiques en changeant les solvants utilisés dans leur fabrication. Des chercheurs de la KAUST ont démontré que les solvants chlorés toxiques actuels peuvent être remplacés par des alternatives d’origine végétale sans affecter les performances de capture de la lumière des cellules solaires.

Les cellules photovoltaïques organiques (OPV) sont l’une des technologies de cellules solaires les plus vertes, ne produisant que trois grammes d’émissions de carbone équivalent CO2 par KW d’énergie. « Cependant, leur fabrication repose toujours sur des solvants halogénés qui, en plus d’être liés à des risques pour la reproduction et au cancer, sont issus de processus pétrochimiques« , commente Daniel Corzo, étudiant en doctorat dans le laboratoire de Derya Baran, qui a dirigé les travaux.

« Nous voulions trouver des alternatives vertes pour protéger la santé et la sécurité des travailleurs lorsque ces cellules seront fabriquées à plus grande échelle et pour réduire davantage l’empreinte carbone des OPV.« 

Les solvants sont essentiels à la fabrication des OPV, car ils constituent la base des encres imprimables à partir desquelles sont fabriquées les cellules solaires organiques.

« Ces encres nécessitent que les matériaux actifs organiques restent en solution pendant le traitement, puis se cristallisent dans des conditions optimisées lorsque l’encre sèche », ajoute D. Corzo. « Le choix du solvant affecte grandement le traitement des OPV et les performances globales du dispositif« .

L’équipe a identifié des solvants alternatifs potentiels en appliquant un cadre appelé la formule de solubilité de Hansen. « Cette méthodologie mesure à quel point les molécules sont similaires les unes aux autres en fonction de leurs interactions moléculaires« , indique D. Corzo. « Vous pouvez sélectionner des solvants qui sont semblables au niveau moléculaire mais qui ont des propriétés bénéfiques, notamment une toxicité réduite, ou qui proviennent de sources renouvelables. »

La technique a révélé que les solvants d’origine végétale appelés terpènes – un groupe qui comprend les huiles aromatiques eucalyptol et limonène – pourraient être des substituts appropriés. « Ces solvants peuvent être dérivés de résidus végétaux, comme les feuilles d’eucalyptus ou les écorces d’orange, ou être produits à partir d’algues et de micro-organismes dans des bioréacteurs », ajoute D. Corzo.

Les mélanges de solvants basés sur ces substances se sont avérés parfaitement adaptés à la fabrication de OPV. « Nous avons obtenu des cellules solaires avec des rendements supérieurs à 16 % en utilisant des encres à base de terpène – essentiellement les mêmes qu’avec des solvants chlorés – mais avec une empreinte carbone inférieure de 85 % et avec la possibilité de devenir neutre en carbone à l’avenir« , détaille encore D. Corzo.

« Nous pensons que de multiples industries et développeurs de technologies bénéficieront du développement des solvants terpéniques », ajoute M. Baran. L’équipe a mis ses résultats à disposition gratuitement dans une bibliothèque interactive en ligne pour la sélection de solvants verts2. « Cette bibliothèque peut aller au-delà de l’utilisation de solvants verts pour l’électronique organique, car les terpènes sont également utilisés dans les industries de l’alimentation et des parfums, par exemple », note-t-elle.

Corzo, D., Rosas-Villalva, D.C.A., Tostado- Blázquez, G., Bezerra Alexandre, E., Huerta Hernandez, L., Han, J., Xu, H., Babics, M., De Wolf, S., Baran, D. High performing organic electronics using terpene green solvents from renewable feedstocks. Nature Energy (2022).| Crédit image KAUST