Une équipe internationale de scientifiques des matériaux de France, La Russie et le Kazakhstan ont trouvé un moyen d'augmenter à plusieurs reprises l'efficacité des cellules solaires organiques. La nouvelle étude, publié dans le Journal de la chimie des matériaux A , a montré que des structures ordonnées à base de molécules organiques peuvent être utilisées pour produire de l'énergie solaire.

Panneaux solaires, ou des piles, sont l'un des moyens les plus prometteurs de produire de l'électricité. Depuis 2017, la puissance combinée des panneaux solaires installés dans le monde s'élevait à 400 gigawatts. L'industrie de l'énergie solaire connaît une croissance rapide, qui dépend de batteries moins chères et plus efficaces.

Une façon d'améliorer les systèmes d'énergie solaire consiste à introduire de nouveaux matériaux. Les éléments de base d'un panneau solaire convertissant la lumière en électricité sont des cellules photovoltaïques, ou des cellules solaires. Ils sont principalement constitués de polysilicium, une forme polycristalline très pure de silicium. Mais les scientifiques sont occupés à rechercher des matériaux alternatifs. Les polymères organiques aux propriétés photovoltaïques sont l'un des principaux candidats pour remplacer le polysilicium.

Une équipe de chercheurs français (Université de Strasbourg, Université de Lyon, Institut des Sciences des Matériaux de Mulhouse, synchrotron SOLEIL), Russie (Institut de physique et de technologie de Moscou, Université d'Etat de Moscou), et le Kazakhstan (Université Nazarbayev) a décrit un moyen 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 déjà montré qu'il améliore 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 pour cent. Bien que cela reste en deçà du photovoltaïque au silicium commercial, le gain massif d'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 assez complexe. Il se compose d'une chaîne d'unités répétitives illustrée dans la partie gauche de la figure 1. Chacun d'eux comprend des hétérocycles de soufre - des cycles constitués d'un soufre et de quatre atomes de carbone - et des chaînes latérales hydrocarbonées à structure ramifiée.

Les chercheurs ont produit un certain nombre de modifications de ce polymère pour trouver celui qui a les meilleures propriétés photovoltaïques. Ils ont modifié 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 pour résultat des propriétés largement supérieures. À savoir, l'efficacité de la cellule et la sortie de courant étaient plusieurs fois plus élevées.

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. Aussi, 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, c'est clairement un avantage.

Le co-auteur de l'étude, le professeur Dimitri Ivanov, a souligné les avantages technologiques des cellules solaires organiques. Il a dit qu'ils peuvent être fabriqués en moins d'étapes, par rapport au photovoltaïque traditionnel au silicium. 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 piles solaires organiques sur les tuiles, " ajoute Ivanov, qui dirige le Laboratoire des matériaux organiques et hybrides fonctionnels du MIPT et est directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique.

Selon Ivanov, ce qui a rendu l'étude difficile, c'est "la nécessité d'optimiser l'efficacité des cellules solaires en choisissant les bons niveaux d'énergie moléculaire du donneur et de l'accepteur, tout en créant également la structure supramoléculaire appropriée qui faciliterait le transport de charge vers les électrodes."