Les cellules solaires organiques résistent à l’épreuve du temps

La création d’électricité à partir de la lumière du soleil est une voie prometteuse vers une énergie renouvelable et sans carbone, mais les processus de production de cette électricité doivent être durables. Une équipe de la KAUST a travaillé avec des collègues internationaux pour rendre un groupe de matériaux émergents plus efficace, plus durable et plus stable.

Le silicium est à la base de la technologie commerciale dominante des cellules solaires, mais les alternatives émergentes fabriquées à partir de matériaux organiques, ou d’hybrides organiques-inorganiques, sont prometteuses si elles peuvent être produites de manière plus durable. Ces alternatives peuvent être légères, flexibles et même transparentes, ce qui les rend utiles dans une gamme beaucoup plus large d’applications pratiques.

Le laboratoire OMEGALAB (Organic/Hybrid Materials for Energy Applications) se concentre sur le développement de ces cellules solaires organiques. Dirigé par Derya Baran, le laboratoire vise à développer des matériaux et des dispositifs électroniques durables à l’aide de procédés à faible consommation d’énergie et avec un impact minimal sur l’environnement.

Les cellules solaires organiques répondent parfaitement à cette ambition. Elles peuvent être fabriquées par impression rouleau à rouleau, ce qui peut être moins coûteux et moins énergivore que les cellules solaires traditionnelles. Ceci, associé au fait que les matériaux organiques peuvent être respectueux de l’environnement et disponibles en abondance, réduit l’impact de la technologie.

L’efficacité des cellules solaires organiques s’est améliorée et atteint aujourd’hui 20 % en laboratoire : les scientifiques d’OMEGALAB s’efforcent donc également d’atteindre un autre objectif important, à savoir rendre les dispositifs plus durables.

L’un des facteurs qui limitent les performances d’une cellule solaire organique réside dans sa morphologie, c’est-à-dire dans l’agencement et la structure des différents composants organiques. Les contraintes causées par la température dans le dispositif peuvent altérer la morphologie et donc dégrader l’efficacité au fil du temps.

L’équipe a collaboré avec des collègues de l’université de Jianghan, en Chine, et de l’université du Pays basque, en Espagne, pour montrer que la thermostabilité des cellules photovoltaïques organiques peut être considérablement améliorée par l’introduction de matériaux dits thermodurcissables.

« Une matrice thermodurcie réticulée est un type de réseau polymère formé par des liaisons chimiques qui créent une structure tridimensionnelle », explique Jianhua Han, ancien boursier postdoctoral de la KAUST, aujourd’hui à l’université Julius-Maximilians-Universität Würzburg, en Allemagne.

« Dans cette matrice, les chaînes de polymères sont interconnectées par des liaisons covalentes, appelées réticulations, qui empêchent le matériau de se ramollir ou de fondre lorsqu’il est exposé à la chaleur », explique Han. Grâce à ces matériaux, l’équipe a doublé l’énergie générée par sa cellule solaire organique au cours d’un test en plein air de onze semaines.

Une autre difficulté réside dans le fait que certaines des modifications apportées à l’architecture des dispositifs en vue d’améliorer l’efficacité ont eu pour conséquence involontaire d’affaiblir la stabilité. Il faut donc trouver un compromis entre les deux[2], a démontré le groupe, qui travaille avec des collègues de l’université Flinders, en Australie, et de l’université technique du Moyen-Orient, en Turquie.

Dans ce travail, l’équipe a examiné le rôle des monocouches auto-assemblées. Il a déjà été démontré que celles-ci améliorent le fonctionnement des cellules solaires organiques en minimisant l’absorbance à l’interface avec le contact électrique, ou anode, en oxyde d’indium et d’étain (ITO).

Les chercheurs ont montré que les molécules de la monocouche auto-assemblée ne sont pas photochimiquement stables et qu’elles se dégradent et se décomposent sous l’effet de la lumière. « Nous établissons une corrélation directe entre les propriétés des soi-disant monocouches auto-assemblées dans les cellules solaires organiques et leur performance et stabilité – un domaine qui a été largement inexploré dans ce domaine », explique Anirudh Sharma, chercheur à la KAUST. L’équipe a montré que l’insertion d’une couche d’oxyde de nickel entre l’ITO et la monocouche auto-assemblée réduisait le problème.

Baran estime que la KAUST est l’endroit idéal pour mener à bien ce type de recherche importante. « Le campus est situé près de l’équateur et est donc exposé à la lumière directe du soleil », explique-t-elle. « Il fait également chaud et humide, des conditions dans lesquelles même les performances et la fiabilité des cellules solaires commerciales en silicium doivent être améliorées. Par conséquent, toute technologie éprouvée à KAUST devrait également être utile ailleurs dans le monde ».

La prochaine étape de l’équipe consistera à vérifier l’applicabilité mondiale de ses dispositifs. « Nous allons mener une étude mondiale « à la ronde » pour comprendre comment les photovoltaïques organiques fonctionnent dans différentes parties du monde et les comparer aux pérovskites », explique M. Baran. « Il s’agira d’un effort collectif en collaboration avec plusieurs institutions internationales dans le cadre d’une étude unique en son genre ».

Référence

1. Han, J., Xu, H., Sharma, A., Babics, M., Bertrandie, J., Wang, X., Huerta Hernandez, L., Zhang, Y., Wen, Y., Rosas Villalva, D., Ramos, N., Paleti, S.H.K., Martin, J., Xu, F., Troughton, J. Yang, R., Gorenflot, J. Laquai, F., De Wolf, S. & Baran, D. In situ formation of thermoset matrices for improved stability in organic photovoltaics. Joule 8, 2883–2902 (2024).| article
2. Xu, H., Sharma, A., Han, J., Kirk, B.P., Alghamdi, A.R., Xu, F., Zhang, Y., Emwas, A.-H., Hizalan, G., De Wolf, S., Andersson, M.R., Andersson, G.G. & Baran, D. Performance-stability trade-off in organic solar cells. Advanced Energy Materials (2024) advance online publication, 15 August 2024.| article

Source : KAUST – Traduction Enerzine.com