Des neutrons sur des films capteurs solaires auto-assemblés !

L’étude, présentée dans le journal Advanced Materials, a utilisé les neutrons pour comprendre le rôle que joue la lumière – même la lumière ambiante – dans la stabilisation de ces films minces qui sont notoirement instables.

Comme preuve de concept, l’équipe a montré comment la combinaison de chaleur, de basse intensité visible et de lumière UV pourrait, dans le futur, être utilisée comme un outil précis et bon marché pour l’impression 3D de circuits à couches minces auto-assemblées sur ces films.

Les constats

Les films minces, composés de longues chaines de molécules organiques appelées polymères et fullerènes, de grandes molécules en forme de ballon de football et entièrement composées de carbone, sont principalement utilisés dans les cellules solaires en polymère où ils émettent des électrons lorsqu’ils sont exposés à des rayons solaires visibles ou ultraviolets. Ces matériaux photovoltaïques peuvent générer de l’énergie électrique en convertissant les rayons solaires en courant électrique direct.

Les cellules solaires en polymère sont d’un intérêt particulier pour l’électronique de faible puissance comme les réseaux de capteurs sans fil autonomes qui permettent de tout surveiller, de la température des océans jusqu’aux contraintes dans un moteur de voiture. Ces mélanges de fullerènes/polymères revêtent un intérêt particulier car ils sont légers, peu coûteux à fabriquer, flexibles, personnalisables au niveau moléculaire et relativement respectueux de l’environnement.

Cependant, les cellules solaires actuelles en polymère n’offrent qu’un tiers de l’efficacité des autres matériaux capteurs d’énergie et sont très instables.

La méthode utilisée

Afin d’améliorer la compréhension de la science de la dynamique de ces systèmes et donc leur performance opérationnelle, l’équipe a effectué des expériences de réflectométrie neutronique à l’ILL, le centre phare en science neutronique, sur un simple film-type composé de fullerène pur avec un polymère flexible. La réflectométrie neutronique est une technique non-destructive qui permet d’enlever des couches de ces films minces pour voir ce qui arrive séparément au fullerène et aux polymères, à résolution atomique, sur toute leur profondeur.

Les résultats de l’étude

Alors que les théories précédentes suggéraient que la stabilisation des films minces était liée à la formation d’une couche de particules de fullerènes expulsés à la surface du substrat, les expériences de réflectométrie neutronique ont montré que les "ballons de football" restaient uniformément répartis à travers la couche. L’équipe a montré que la stabilisation des films était causée par une forme de photo-réticulation des fullerènes. Le processus donne une plus grande intégrité structurelle aux films, ce qui signifie que les films (jusqu’à 10 000 fois plus petits qu’un cheveu humain) deviennent facilement stables avec des quantités infimes de fullerène.

Les implications de cette découverte sont importantes, en particulier en raison du potentiel de création de dispositifs en plastique beaucoup plus minces (par conséquent utilisant de plus petites quantités de matériel ce qui minimise leur impact environnemental) qui restent stables, avec une augmentation de leur efficacité et de leur durée de vie.

La photosensibilité suggère également un outil unique et simple pour l’introduction de modèles et de schémas dans ces films notoirement instables. Comme preuve de concept, l’équipe a utilisé un photomasque pour contrôler dans l’espace la répartition de la lumière et de la chaleur ajoutée. La combinaison entraîne l’auto-assemblage des fullerènes en schémas connectés bien définis et en schémas déconnectés, à la demande, simplement en chauffant le film jusqu’à ce qu’il commence à ramollir. Il en résulte une topographie spontanée et cela pourrait former la base d’un outil peu coûteux pour l’impression 3D de circuits à films minces. D’autres applications potentielles pourraient inclure la schématisation de capteurs ou d’échafaudages biomédicaux.

"En utilisant simplement la lumière, nous pouvons demander à des parties spécifiques du film de se séparer ou de se connecter, de se stabiliser et de fonctionner à des fins photovoltaïques. Ensuite, il n’est pas difficile de créer, à la demande, des schémas complexes d’auto-assemblage sur ces films en ajoutant simplement de la chaleur. Répliqué pour des compositions plus complexes, cela représenterait une avancée majeure dans leurs applications commerciales en électronique comme dans le captage d’énergie de sources de faible puissance" a déclaré Le Dr Joao Cabral, de l’Imperial College London.

Dans le futur, l’équipe de chercheurs cherchera à transposer les résultats à des polymères conjugués et à des dérivés de fullerènes, plus communs dans les films commerciaux et les revêtements en couches minces industriels.