Des cellules solaires organiques stables même à 130°C

Dans le domaine des énergies renouvelables, une équipe de chercheurs a mis au point une stratégie qui pourrait changer la donne pour les cellules solaires organiques. En utilisant des mélanges multicomposants de matériaux, ils ont réussi à améliorer la stabilité thermique de ces cellules, préparant le terrain à une production plus facile de photovoltaïques organiques de grande surface.

Les accepteurs non-fullerènes (NFAs) se sont révélés être des composants idéaux dans les photovoltaïques organiques, améliorant considérablement l’efficacité de ces dispositifs.

Lorsque ces couches actives à base de NFA sont exposées à la lumière et à la chaleur, elles deviennent intrinsèquement instables avec le temps, avec pour conséquence de diminuer les performances du dispositif et entrave la commercialisation.

Les cellules solaires organiques reposent sur la couche active – un mélange de molécules donneuses et accepteuses d’électrons connu sous le nom de hétérojonction en vrac – pour absorber la lumière et produire de l’électricité. Lorsque la lumière frappe l’hétérojonction, elle crée des paires électron-trou qui se dissocient à l’interface donneur-accepteur.

Les électrons se déplacent vers les accepteurs tandis que les trous chargés positivement se déplacent vers les donneurs. La séparation de charge résultante génère un courant électrique.

Le défi de la stabilité thermique

L’hétérojonction doit avoir une nanostructure spécifique qui est essentielle pour une séparation et une extraction de charge efficaces. Cependant, cette nanostructure est souvent loin de l’équilibre thermodynamique, ce qui la fait changer avec le temps par la diffusion des composants du mélange. Cette diffusion favorise la recombinaison des charges, réduisant les performances du dispositif.

Il existe plusieurs approches conçues pour améliorer la stabilité thermique des cellules solaires organiques, et la plupart se concentrent sur l’exploitation des interactions moléculaires ou l’augmentation de la température de transition vitreuse.

Les films de mélange d’hétérojonction en vrac comportant des NFAs avec des températures de transition vitreuse élevées peuvent contrer les processus de diffusion à longue portée. Cependant, la diffusion à courte portée reste problématique.

Une nouvelle approche pour les photovoltaïques organiques

Inspirés par les verres métalliques en vrac, qui nécessitent trois à cinq métaux différents pour prévenir la cristallisation, les chercheurs ont combiné jusqu’à cinq NFAs avec un polymère donneur pour générer des mélanges avec les meilleures efficacités de dispositif de 17,6 %.

L’augmentation de l’entropie du mélange a considérablement amélioré la stabilité thermique des cellules solaires, sur diverses épaisseurs de film. Leurs dispositifs ont même conservé leurs performances après un recuit à 130°C pendant 23 jours dans des conditions inertes.

« Cette amélioration de la stabilité est indépendante de l’épaisseur de la couche active, jusqu’à 400 nm, ce qui est sans précédent », conclut Sri Paleti, un des chercheurs de l’équipe.

En synthèse

La recherche dans le domaine des cellules solaires organiques a franchi une étape importante avec la mise au point d’une stratégie utilisant des mélanges multicomposants de matériaux. Cette approche a permis d’améliorer la stabilité thermique de ces cellules, ouvrant la voie à une production plus facile de photovoltaïques organiques de grande surface. Les chercheurs prévoient d’explorer si leur approche peut aider à minimiser l’empreinte carbone des cellules solaires organiques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un accepteur non-fullerène (NFA) ?

Un accepteur non-fullerène (NFA) est un composant utilisé dans les cellules solaires organiques. Il joue un rôle crucial dans l’amélioration de l’efficacité de ces dispositifs.

Qu’est-ce que l’hétérojonction en vrac ?

L’hétérojonction en vrac est un mélange de molécules donneuses et accepteuses d’électrons qui absorbe la lumière et produit de l’électricité dans les cellules solaires organiques.

Pourquoi la stabilité thermique est importante pour les cellules solaires organiques ?

La stabilité thermique est importante car elle permet aux cellules solaires organiques de maintenir leurs performances même lorsqu’elles sont exposées à la chaleur et à la lumière.

Qu’est-ce que la transition vitreuse ?

La transition vitreuse est une température à laquelle les matériaux passent d’un état vitreux à un état de type caoutchouteux. Augmenter cette température peut améliorer la stabilité thermique des cellules solaires organiques.

Qu’est-ce que l’entropie dans le contexte des cellules solaires organiques ?

L’entropie, dans ce contexte, se réfère à la diversité des composants dans le mélange utilisé pour créer les cellules solaires organiques. Augmenter l’entropie peut améliorer la stabilité thermique des cellules.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : Une équipe dirigée par la KAUST a mis au point une stratégie pour améliorer la stabilité thermique des cellules solaires organiques en utilisant des accepteurs nonfullerènes.© 2023 KAUST ; Heno Hwang.

1. Paleti, S.H.K., Hultmark, S., Han, J., Wen, Y., Xu, H., Chen, S., Järsvall, E., Jalan, I., Villalva, D. R., Sharma, A., Khan, J. I., Moons, E., Li, R., Yu, L., Gorenflot, J., Laquai, F., Müller, C. & Baran, D. Hexanary blends: a strategy towards thermally stable organic photovoltaics. Nature Communications 14, 4608 (2023).| article.
2. Hultmark, S., Cravcenco, A., Kushwaha, K., Mallick, S., Erhart, P., Börjesson, K. & Müller, C. Vitrification of octonary perylene mixtures with ultralow fragility. Science Advances 7, eabi4659 (2021).| article.