Une équipe internationale de spécialistes des matériaux a trouvé un moyen d’augmenter à plusieurs reprises l’efficacité des cellules solaires organiques. La nouvelle étude, publiée dans le « Journal of Materials Chemistry A », a montré que des structures ordonnées basées sur des molécules organiques peuvent être utilisées pour produire de l’énergie solaire.
Les panneaux solaires, ou les batteries, sont l’un des moyens les plus prometteurs pour délivrer de l’électricité. En 2017, la puissance combinée des panneaux solaires installés dans le monde entier s’élevait à 400 gigawatts. L’industrie de l’énergie solaire connaît une croissance rapide, qui dépend également de batteries moins chères et plus efficaces.
Une façon d’améliorer les systèmes d’énergie solaire est d’introduire de nouveaux matériaux. Les éléments de base d’un panneau solaire convertissant la lumière en électricité sont les cellules photovoltaïques, ou cellules solaires. Ils sont principalement constitués de polysilicium – une forme polycristalline très pure de silicium. Les scientifiques sont occupés à chercher des matériaux alternatifs. Les polymères organiques à propriétés photovoltaïques sont l’un des premiers candidats au remplacement du polysilicium.
Une équipe de chercheurs français (Université de Strasbourg, Université de Lyon, Institut des Sciences des Matériaux de Mulhouse, Synchrotron SOLEIL), russe (Moscow Institute of Physics and Technology, Moscow State University) et kazakh (Nazarbayev University) a décrit une façon d’augmenter l’efficacité des cellules solaires organiques en incorporant des atomes de fluor dans le polymère. Ce processus, connu sous le nom de fluoration, a été précédemment démontré pour améliorer les propriétés photovoltaïques des polymères, mais le mécanisme était mal compris. La nouvelle étude clarifie l’effet de la fluoration sur l’efficacité des cellules.
En expérimentant diverses modifications de polymères, l’équipe a augmenté l’efficacité des cellules de 3,7 à 10,2 %. Bien que cette technologie ne soit pas encore à la hauteur de celle du silicium photovoltaïque commercial, le gain massif en efficacité suggère que les cellules à base de polymères sont une technologie avec laquelle il faut compter. Peut-être qu’avec d’autres ajustements, les cellules solaires organiques pourraient surpasser leurs homologues à base de polysilicium.
Le polymère générique utilisé dans l’expérience a une structure moléculaire plutôt complexe. Il s’agit d’une chaîne d’unités répétitives illustrées dans la partie gauche de la figure 1. Chacun d’entre eux comprend des hétérocycles de soufre – des cycles composés d’un atome de soufre et de quatre atomes de carbone – et des chaînes latérales d’hydrocarbures de structure ramifiée.
Les chercheurs ont produit un certain nombre de modifications de ce polymère pour trouver lequel a de meilleures propriétés photovoltaïques. Ils ont changé la structure en ajoutant des atomes de fluor (figure 1, à droite) et en variant la longueur des chaînes latérales. Une configuration de polymère s’est avérée avoir des propriétés largement supérieures. En effet, l’efficacité de la cellule et le rendement en courant étaient plusieurs fois plus élevés.
L’équipe a ensuite étudié la structure microscopique du composé le plus performant. L’analyse aux rayons X a révélé que l’empilement des polymères était plus ordonné. De plus, les molécules étaient caractérisées par une plus grande mobilité des porteurs de charge, ce qui signifie que le matériau conduit mieux l’électricité. Pour une cellule solaire, il s’agit clairement d’un avantage.
Le professeur Dimitri Ivanov, co-auteur de l’étude, a souligné les avantages technologiques des cellules solaires organiques. Il a dit qu’elles peuvent être fabriquées en moins d’étapes, par rapport au silicium photovoltaïque conventionnel. Les polymères absorbant la lumière peuvent également fonctionner comme un film mince, ce qui signifie que les panneaux solaires n’ont pas besoin d’être plats.
« Par exemple, vous pourriez déposer des cellules solaires organiques sur des tuiles« , a commenté Ivanov, qui dirige le Laboratoire des matériaux organiques fonctionnels et hybrides au MIPT.
