Sélection de cellules solaires dans le laboratoire de l'ingénieur de recherche principal du GTRI Jud Ready. Les cellules comprennent 3D, CZTS, photovoltaïque organique, et silicium. Crédit :Georgia Tech/Branden Camp
Un matériau d'énergie solaire remarquablement durable et abordable est malheureusement aussi inutilisable s'il génère à peine de l'électricité, ainsi, de nombreux chercheurs avaient abandonné les technologies solaires organiques émergentes. Mais dernièrement, un changement dans la chimie sous-jacente a augmenté la puissance de sortie, et une nouvelle étude a révélé des ajustements contre-intuitifs faisant le succès de la nouvelle chimie.
Le passage du « fullerène » aux « accepteurs non fullerènes » (NFA), conditions détaillées ci-dessous, et dans la production d'électricité photovoltaïque, l'accepteur est une molécule ayant le potentiel d'être aux électrons ce qu'un receveur est à une balle de baseball. Les molécules donneuses correspondantes « lancent » des électrons vers des « capteurs » accepteurs pour créer un courant électrique. Le chimiste très cité Jean-Luc Brédas du Georgia Institute of Technology a fait progresser la technologie et a également dirigé la nouvelle étude.
"Les NFA sont des bêtes complexes et font des choses que la technologie solaire au silicium actuelle ne fait pas. Vous pouvez les façonner, les rendre semi-transparents ou colorés. Mais leur grand potentiel réside dans la possibilité d'affiner la façon dont ils libèrent et déplacent les électrons pour générer de l'électricité, " dit Brédas, un professeur Regents à l'école de chimie et de biochimie de Georgia Tech.
Gagner sur le silicium
Au cours des quatre dernières années seulement, le réglage de la chimie NFA a stimulé la technologie photovoltaïque organique de la conversion initiale de seulement 1 % de la lumière solaire en électricité à une conversion de 18 % dans des expériences récentes. Par comparaison, les modules solaires en silicium de haute qualité déjà sur le marché convertissent environ 20 %.
"La théorie dit que nous devrions être en mesure d'atteindre plus de 25% de conversion avec le solaire organique à base de NFA si nous pouvons contrôler la perte d'énergie par le biais de la morphologie, " a déclaré Tonghui Wang, chercheur postdoctoral au laboratoire de Brédas et premier auteur de l'étude.
Morphologie, les formes que prennent les molécules dans un matériau, est la clé de l'efficacité accrue de la technologie solaire NFA, mais comment cela fonctionne au niveau moléculaire a été un mystère. La nouvelle étude a soigneusement modélisé de minuscules ajustements aux formes moléculaires et calculé la conversion d'énergie correspondante dans un couple donneur/accepteur d'électrons NFA commun.
Un non intuitif, un minuscule ajustement chimique permet à deux composants moléculaires de s'assembler d'une manière qui stimule la conversion de la lumière en électricité. Le composant jaune a subi le tweak. Il est composé d'un accepteur non fullerène (NFA), qui reçoit des électrons de la composante bleue, un donneur d'électrons. Grâce au même tweak chimique, les deux composants moléculaires sont également bien emballés dans le matériau pour faciliter la conduction des électrons vers les électrodes voisines (non représentées). Crédit :Georgia Tech/Breda lab/Tonghui Wang
L'amélioration des performances ne provenait pas de modifications apportées à la main métaphorique du receveur ni de la main de lanceur du donneur, mais de quelque chose qui s'apparentait aux positions des pieds du receveur. Certaines positions alignaient mieux le "corps" de l'accepteur avec celui du donneur d'électrons.
Les "pieds" étaient un tout petit composant, un groupe méthoxy, sur l'accepteur, et deux positions sur quatre possibles ont fait passer la conversion de la lumière en électricité de 6 % à 12 %. Brédas et Wang ont publié leur étude, Cellules solaires organiques basées sur des accepteurs de petites molécules non fullerènes :impact de la position de substituant , le 20 novembre, 2019, dans la revue Question . La recherche a été financée par le Bureau de la recherche navale.
(Le couple chimique donneur/accepteur était PBDB-T / IT-OM-1, -2, -3, ou -4, avec -2 et -3 montrant une production d'électricité supérieure. Voir la citation en bas pour un nom chimique complet.)
Cellules de silicium maladroites
Les cellules solaires commercialisables à base de NFA pourraient présenter de nombreux avantages par rapport au silicium, qui nécessite l'extraction de gravier de quartz, le fondre comme du fer, le purifiant comme de l'acier, puis le couper et l'usiner. Par contre, Les cellules solaires organiques sont au départ des solvants peu coûteux pouvant être imprimés sur des surfaces.
Les cellules de silicium sont généralement rigides et lourdes et s'affaiblissent avec la chaleur et le stress léger, alors que les cellules solaires à base de NFA sont légères, souple, et résistant au stress. Ils ont également des propriétés photoélectriques plus complexes. Dans les couches photoactives à base de NFA, lorsque les photons excitent les électrons hors des orbites externes des molécules donneuses, les électrons dansent autour des trous d'électrons qu'ils ont créés, les mettre en place pour un transfert personnalisé aux accepteurs.
"Le silicium fait sortir un électron de son orbite lorsque les photons l'excitent au-delà d'un seuil. Il est activé ou désactivé ; vous obtenez soit un électron de conduction, soit aucun électron de conduction, " dit Brédas, qui est également titulaire de la chaire Vasser Woolley en conception moléculaire à Georgia Tech. "Les NFA sont plus subtils. Un donneur d'électrons tend la main à un électron, et l'accepteur d'électrons le tire. La possibilité d'ajuster la morphologie rend le transfert d'électrons accordable."
Le matériau photovoltaïque organique a deux composants moléculaires, montré ici en bleu et jaune. La molécule bleue est un donneur d'électrons, et la molécule jaune est un accepteur non fullerène (électron) (NFA). La modélisation dans une nouvelle étude a montré qu'un minuscule ajustement de la NFA augmente considérablement le taux de conversion de la lumière en électricité. Crédit :Georgia Tech/Bredas lab/Tonghui Wang
Pas un fullerène
Comme son nom l'indique, les accepteurs non fullerènes ne sont pas des fullerènes, qui sont des molécules de carbone pur avec des structures plutôt uniformes et géométriques d'éléments pentagonaux ou hexagonaux répétés. Nanotubes, graphène, et la suie sont des exemples de fullerènes, qui portent le nom de l'architecte Buckminster Fuller, qui était célèbre pour la conception de dômes géodésiques.
Les fullerènes sont plus striés dans la structure moléculaire et l'accordabilité que les non-fullerènes, qui sont plus librement conçus pour être souples et pliables. Les donneurs et les accepteurs basés sur la NFA peuvent s'enrouler les uns autour des autres comme des tourbillons précis de pâte au chocolat et à la vanille dans un gâteau Bundt, en leur donnant des avantages au-delà du don et de l'acceptation d'électrons, tels qu'un meilleur emballage moléculaire dans un matériau.
"Un autre point est de savoir comment les molécules acceptrices sont connectées les unes aux autres de sorte que l'électron accepté a un chemin conducteur vers une électrode, » dit Brédas. « Et ça va pour les donateurs, trop."
Comme dans toute cellule solaire, les électrons de conduction ont besoin d'un moyen de sortir du matériau photovoltaïque dans une électrode, et il doit y avoir un chemin de retour vers l'électrode opposée pour que les électrons arrivants remplissent les trous laissés par les électrons sortants.
Citations à fort impact
Les distinctions de Brédas sont nombreuses, mais il a particulièrement retenu l'attention pour son score Google Scholar h-index, un calcul de l'impact des publications d'un chercheur. Le score actuel de 146 de Breda le place probablement parmi les 700 chercheurs publiés les plus marquants de l'histoire mondiale moderne.
Il a été un chef de file particulièrement réputé dans la recherche photoélectrique et sur les semi-conducteurs basée sur une chimie organique abordable et pratique.
