En utilisant un analogue bio-imitant de l'une des structures de collecte de lumière les plus efficaces de la nature, brins d'herbe, une équipe de recherche internationale dirigée par Alejandro Briseno de l'Université du Massachusetts Amherst a franchi une étape majeure dans le développement d'une architecture polymère recherchée depuis longtemps pour augmenter l'efficacité de conversion de puissance de la lumière en électricité pour une utilisation dans les appareils électroniques.

Briseno, avec des collègues et des étudiants diplômés de l'UMass Amherst et d'autres à l'Université de Stanford et à l'Université de technologie de Dresde, Allemagne, rapport dans le numéro actuel de Lettres nano qu'en utilisant des nanopiliers organiques monocristallins, ou "nanograss, " ils ont trouvé un moyen de contourner les impasses, ou des voies discontinues, qui posent un sérieux inconvénient lors de l'utilisation de systèmes mixtes appelés donneur-accepteur à hétérojonction en vrac, ou positif-négatif (p-n), jonctions pour la récupération d'énergie dans les cellules solaires organiques.

Le groupe de recherche de Briseno est l'un des très rares au monde à concevoir et à développer des jonctions p-n organiques monocristallines. Il dit, "Ce travail est une avancée majeure dans le domaine des cellules solaires organiques, car nous avons développé ce que le domaine considère comme l'architecture du" Saint Graal "pour récolter la lumière et la convertir en électricité." La percée dans le contrôle de la morphologie devrait être largement utilisée dans les cellules solaires, batteries et transistors verticaux, il ajoute.

Briseno explique, "Pendant des décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont déployé de grands efforts pour essayer de contrôler la morphologie des interfaces de jonction p-n dans les cellules solaires organiques. Nous rapportons ici que nous avons enfin développé l'architecture idéale composée de nanopiliers verticaux monocristallins organiques." Les nanopiliers sont à l'échelle nanométrique, surfaces conçues avec des milliards de poteaux organiques qui ressemblent à des brins d'herbe, et comme les brins d'herbe, ils sont particulièrement efficaces pour convertir la lumière en énergie.

L'avancée ne résout pas seulement le problème des impasses ou des voies discontinues qui rendent le transfert d'énergie inefficace, mais cela résout aussi certains problèmes d'instabilité, où les matériaux dans des mélanges mixtes de polymères ont tendance à perdre leur comportement en phase séparée au fil du temps, transfert d'énergie dégradant, dit le chimiste des polymères. Aussi, les matériaux dans les systèmes mixtes ont tendance à être au mieux amorphes à semi-cristallins et "c'est un inconvénient car le transport de charge est plus efficace dans les systèmes hautement cristallins".

Spécifiquement, pour contrôler l'orientation moléculaire et le tassement au niveau des surfaces des électrodes, l'équipe a combiné ses connaissances sur le graphène et les cristaux organiques. Même si c'était difficile, Briseno dit, ils ont réussi à obtenir les composés nécessaires à empiler comme des pièces de monnaie. Les composés empilés sont idéaux pour le transport de charges car cette configuration a la plus grande anisotropie de transport de charges. L'anisotropie de transport de charge est un phénomène où les électrons circulent plus rapidement le long d'une direction cristallographique particulière en raison d'interactions étroites molécule-molécule. Dans ce cas, l'anisotropie est le long du nanopilier, perpendiculaire au substrat.

Briseno dit, "Le plus grand défi dans la production de cette architecture était de trouver le substrat approprié qui permettrait aux molécules de s'empiler verticalement. Nous avions exploité pratiquement tous les substrats possibles jusqu'à ce que nous réussissions finalement avec le graphène, " il ajoute, ce qui s'est produit par accident lorsqu'un étudiant de premier cycle a choisi le mauvais substrat pour faire pousser des cristaux.

"Pendant plus d'une semaine, l'étudiant a fait pousser des cristaux verticaux et nous n'avons même pas réalisé jusqu'à ce que nous ayons imagé la surface du substrat avec un microscope électronique à balayage. Nous avons été choqués de voir de petits cristaux debout ! Nous avons finalement optimisé les conditions et déterminé le mécanisme de cristallisation, " ajoute le chimiste des polymères.

Les nanopiliers verticaux sont des géométries idéales pour contourner ces défis, Briseno dit, "parce que la séparation/collecte des charges est la plus efficace perpendiculairement au dispositif en plastique. Dans ce cas, nos nanopiliers ressemblent fortement à la nanoherbe. Nos systèmes partagent des attributs similaires de l'herbe tels que le système de réseau à haute densité, orientations verticales et la capacité de convertir efficacement la lumière en énergie."

La technique est simple, peu coûteux et applicable à une bibliothèque de composés donneurs et accepteurs disponibles dans le commerce, note-t-il. « Nous prévoyons que nos cellules solaires à nanopiliers séduiront les applications énergétiques bas de gamme telles que les gadgets, jouets, capteurs et dispositifs jetables à courte durée de vie."