Des scientifiques de l’Université métropolitaine d’Osaka ont créé une molécule qui forme naturellement des jonctions p/n, des structures vitales pour convertir la lumière du soleil en électricité. Leurs découvertes offrent une voie prometteuse pour produire des cellules solaires organiques à couche mince plus efficaces.
Les cellules solaires convertissent directement la lumière du soleil en électricité. Dans chaque cellule, deux semi-conducteurs – de type p et de type n – forment une jonction p/n, où l’effet photovoltaïque effectue la conversion.
Les cellules solaires organiques à couche mince utilisent des semi-conducteurs à base de carbone au lieu du silicium traditionnel, ce qui les rend légères, flexibles et économiques. Elles peuvent être intégrées à des encres pour être imprimées sur des surfaces du quotidien comme les films pour fenêtres ou même les vêtements. Leur efficacité, cependant, reste inférieure à celle des cellules solaires au silicium conventionnelles.
Atteindre des performances élevées dépend de manière cruciale de la création d’une interface optimale entre les matériaux de type p et de type n. Les cellules solaires organiques sont connues pour leurs propriétés électroniques ajustables, permettant aux chercheurs de modifier leur alignement et leur morphologie pour améliorer l’interface ; cependant, les régler de manière optimale reste un défi.
« La « hétérojonction p/n » doit être précisément ajustée pour permettre la séparation rapide et le transport des charges générées lorsque la lumière est absorbée », a expliqué Takeshi Maeda, professeur associé à la Graduate School of Engineering de l’Université métropolitaine d’Osaka et auteur principal de l’étude.
« Traditionnellement, les interfaces sont créées en mélangeant physiquement des molécules de type p et de type n », a-t-il poursuivi. « Mais même de subtils changements dans les conditions de traitement peuvent conduire à un mélange incohérent, des structures instables et une réduction des performances des dispositifs. »
Pour relever ces défis, une stratégie alternative a été activement explorée dans laquelle les composants semi-conducteurs de type p et de type n sont intégrés au sein d’une seule molécule, permettant à des hétérojonctions p/n à l’échelle nanométrique de se former uniquement par auto-assemblage moléculaire. Cependant, l’auto-assemblage de molécules uniques est intrinsèquement complexe. De petites différences de solvant ou de température peuvent donner naissance à de multiples structures agrégées concurrentes, rendant difficile l’obtention fiable d’hétérojonctions p/n nanométriques bien définies et optimales.
Dans ce contexte, l’équipe s’est concentrée sur le contrôle de l’auto-assemblage moléculaire pour former sélectivement une hétérojonction p/n nanométrique bien définie à partir d’un système moléculaire unique.
Ils ont conçu une molécule donneur–accepteur–donneur, appelée TISQ, qui intègre un segment de type p à base de squaraine (donneur) et un segment de type n à base de diimide de naphtalène (accepteur) au sein d’une seule molécule. Liés par des groupes amides qui favorisent la liaison hydrogène, TISQ peut s’auto-assembler spontanément en structures nanométriques distinctes, offrant potentiellement une voie plus stable vers des hétérojonctions p/n intégrées.
« Nous avons découvert que TISQ forme soit des agrégats de type J, soit de type H selon le solvant. Les deux montrent des comportements électroniques différents, notamment dans la façon dont ils transportent efficacement les charges lorsque la lumière les frappe », a déclaré Maeda.
Dans les solvants polaires, TISQ forme des agrégats de type J semblables à des nanoparticules via un processus de nucléation–élongation coopératif. Dans les solvants à faible polarité, il s’assemble en agrégats fibreux de type H via un mécanisme isodésmique, ou étape par étape.
Les mesures ont montré que les agrégats de type J présentent une réponse photocurrent presque double de celle des agrégats de type H.
Pour tester l’applicabilité aux dispositifs, l’équipe a fabriqué des cellules solaires organiques à couche mince incorporant TISQ comme matériau photoactif à un seul composant. Il a été démontré que la molécule forme des hétérojonctions p/n à l’échelle nanométrique par auto-assemblage, mettant en lumière la faisabilité de conceptions moléculaires qui s’organisent de manière autonome en structures électroniques fonctionnelles.
« Cette approche ascendante fournit une plateforme pour explorer comment l’auto-organisation moléculaire peut être traduite en fonctionnalité électronique, y compris pour les cellules solaires organiques et une large gamme de dispositifs optoélectroniques organiques, des photodétecteurs aux systèmes de collecte de lumière », a souligné Maeda.
Bien que l’efficacité de conversion énergétique des cellules fabriquées reste faible et nécessitera des recherches supplémentaires avant une application pratique, l’étude démontre comment les différences dans les structures d’hétérojonction p/n auto-assemblées à l’échelle nanométrique influencent directement la réponse photocurrent dans un système à un seul composant.
« Notre priorité est de développer des stratégies de conception moléculaire qui utilisent l’auto-assemblage pour connecter les structures d’hétérojonction p/n nanométriques avec les réponses photoélectroniques dans des systèmes organiques à un seul composant », a révélé Maeda. « En approfondissant cette compréhension structure–fonction, nous visons à élargir l’espace de conception des cellules solaires organiques à couche mince et des matériaux optoélectroniques apparentés. »
Article : Solvent-Controlled Supramolecular Polymerization and Morphology-Depended Photoconductivity Modulation in a Squaraine-Naphthalene Diimide-Squaraine Bulk p/n Heterojunction – Journal : Angewandte Chemie International Edition – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Osaka U.
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