Une poudre qui augmente l’efficacité des cellules solaires en plastique

Des chercheurs de l’Université de technologie d’Eindhoven ont détaillé leurs travaux dans la revue Nature Communications. Cette nouvelle compréhension devrait permettre le développement ciblé de cellules solaires en plastique.

Les cellules solaires en plastique, appelées également cellules solaires organiques, utilisent des polymères à la place du silicium pour convertir l’énergie du rayonnement solaire en électricité. L’utilisation du plastique comme matériau de base réduit le coût et le poids de ces cellules solaires, et les rendent souples. Mais l’efficacité de l’ordre de 10% reste encore inférieure à celle des cellules solaires classiques qui atteignent des rendements entre 15 à 20%.

Il y a une dizaine d’années, on a trouvé un peu par hazard que l’efficacité des cellules solaires en plastique était augmentée d’un facteur deux à trois, par simple addition d’un solvant («co-solvant») au cours du processus de production. "Ces co-solvants sont maintenant utilisés dans toutes les cellules solaires en plastique", a indiqué le professeur René Janssen de TU/e. "Mais personne ne sait exactement pourquoi ils ont un tel effet favorable sur l’efficacité."

Il est connu qu’il existe un lien avec la "morphologie" de la cellule solaire, en d’autres termes, c’est la structure des deux composants plastiques dans la cellule entre lesquelles les électrons se déplacent sous l’influence de la lumière solaire. Ces composants – matériaux organiques – sont dissous pendant le processus de production, après quoi ils s’évaporent et durcissent. Le co-solvant mystérieux est toujours ajouté au solvant avant l’évaporation.

L’équipe de chercheurs dirigée par René Eindhoven Janssen ont utilisé une combinaison de technologies optiques pour trouver une explication définitive. Ils affirment que s’ils n’ajoutent pas un co-solvant, ils constatent que de grosses gouttelettes sont formées pendant le durcissement du mélange plastique. Celles-ci ont un effet défavorable sur le transport d’électrons – et en conséquence sur l’efficacité de la cellule solaire. "Plus vous ajoutez du co-solvant à la solution, plus les goutelettes diminuent, jusqu’à disparaitre complètement quand un certain niveau de contenu spécifique est atteint", a ajouté le Pr. Janssen.

Ils ont également trouvé la raison à ce phénomène. "Il y a 2 effets qui surviennent lors du processus de durcissement", a expliqué le Pr. Janssen. "D’une part, lorsque la solution s’évapore, les polymères prennent une structure ‘pliée’. Nous avons constaté que le co-solvant permet cet état singulier au début du processus, à un stade beaucoup plus précoce, ce qui signifie que les bulles ne peuvent finalement plus se former". De cette manière, les actions du co-solvant agissent comme une sorte de «levure chimique» : il améliore la structure du mélange, mais l’agent en soi n’est pas suffisant.

Les chercheurs espèrent que leurs résultats feront l’objet de développement de cellules solaires en plastique plus efficaces. "Jusqu’à maintenant, c’était surtout une question de jeu d’essai-erreur", a conclu le Pr. Janssen. "Mais maintenant, nous pouvons prévoir avec beaucoup plus de précisions ce qu’il faut travailler ou non."