Une équipe internationale de chercheurs a découvert une nouvelle relation quantitative qui permet d'identifier rapidement des combinaisons de matériaux prometteuses pour les cellules solaires organiques. La découverte pourrait réduire considérablement l'aspect « essai et erreur » de la production de cellules solaires en réduisant le temps passé à trouver les mélanges les plus efficaces. La recherche apparaît dans Matériaux naturels .
Présentement, les chimistes qui travaillent à la conception de cellules solaires organiques plus efficaces s'appuient fortement sur l'analyse « post-mortem » ou post-fabrication de la distribution des matériaux constitutifs des cellules qu'ils produisent. En d'autres termes, s'ils veulent voir comment les molécules donneuses et acceptrices au sein de la cellule solaire se mélangent et interagissent, ils doivent d'abord créer le mélange et produire des échantillons qui sont examinés au niveau moléculaire. Les cellules solaires à haute performance que nous avons maintenant, par exemple, ont été créés grâce à une main-d'œuvre, approche d'essai et d'erreur de développement sur 1, 000 combinaisons de matériaux et en recherchant les conditions de traitement optimales pour chacun.
"Les forces entre les molécules dans les couches d'une cellule solaire déterminent à quel point elles se mélangeront - si elles sont très interactives, elles se mélangeront mais si elles sont répulsives, elles ne le feront pas, " dit Harald Ade, Goodnight Innovation Distinguished Professor of Physics à NC State et auteur correspondant de l'article. "Les cellules solaires efficaces sont un équilibre délicat. Si les domaines se mélangent trop ou pas assez, les charges ne peuvent pas se séparer ou être récoltées efficacement. Nous savons que l'attraction et la répulsion dépendent de la température, un peu comme le sucre se dissolvant dans le café - la saturation, ou mélange maximum du sucre avec le café, s'améliore à mesure que la température augmente."
Adé, avec le chercheur postdoctoral et premier auteur Long Ye de l'État de Caroline du Nord et le chimiste He Yan de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong, a cherché à déterminer à quelle température ces systèmes se transforment de deux matériaux distincts en un mélange homogène dans des cellules solaires organiques. Utilisant la spectrométrie de masse d'ions secondaires et la microscopie à rayons X, l'équipe a pu examiner les interactions moléculaires à différentes températures pour voir quand le changement de phase se produit. La diffusion des rayons X leur a permis d'examiner la pureté des domaines. Le résultat final était un paramètre et un modèle quantitatif qui décrit le mélange de domaines en fonction de la température et qui peut être utilisé pour évaluer différents mélanges.
"Nous avons déterminé le niveau de saturation du 'sucre dans le café' en fonction de la température, " dit Ade. " Ce paramètre donne aux chimistes la limite de solubilité du système, ce qui leur permettra de déterminer quelle température de traitement donnera des performances optimales avec la plus grande fenêtre de traitement."
"Autrefois, les gens ont principalement étudié ce paramètre dans des systèmes à température ambiante en utilisant des approximations grossières. Ils ne pouvaient pas le mesurer avec précision et à des températures correspondant aux conditions de traitement, qui sont beaucoup plus chauds, " dit Ye. "La capacité de mesurer et de modéliser ce paramètre offrira également des leçons précieuses sur le traitement et pas seulement sur les paires de matériaux. En principe, notre méthode peut le faire pour un mélange organique donné à n'importe quelle température pendant le processus de fabrication."
"Actuellement, les chimistes modifient une molécule et font des essais pour voir si c'est un bon matériau pour les cellules solaires, mais s'ils ont les mauvaises conditions de traitement, ils pourraient manquer beaucoup de bons matériaux, " dit Ade. "Notre paramètre mesure le niveau de saturation afin qu'ils puissent déterminer si le système matériel est bon avant de fabriquer des appareils. Notre objectif ultime est de former un cadre et une base expérimentale sur lesquels la variation structurelle chimique pourrait être évaluée par des simulations sur ordinateur avant qu'une synthèse laborieuse ne soit tentée."
