Les cellules solaires organiques pouvant être peintes ou imprimées sur des surfaces sont de plus en plus performantes, et sont maintenant prometteurs pour l'incorporation dans des applications comme les vêtements qui exigent également qu'ils soient flexibles.

Le laboratoire de l'ingénieur chimiste et biomoléculaire de l'Université Rice Rafael Verduzco a développé des systèmes photovoltaïques organiques flexibles qui pourraient être utiles là où constant, la production de faible puissance est suffisante.

La recherche apparaît dans la revue American Chemical Society Chimie des Matériaux .

Les cellules solaires organiques reposent sur des matériaux à base de carbone, notamment des polymères, par opposition à dur, matériaux inorganiques comme le silicium, pour capter la lumière du soleil et la traduire en courant. Les matières organiques sont également minces, poids léger, semi-transparent et peu coûteux. Alors qu'à mi-chemin, commercial, Les cellules solaires à base de silicium ont un rendement d'environ 22% - la quantité de lumière solaire convertie en électricité - les organiques plafonnent à environ 15%.

« Le domaine est obsédé par la charte d'efficacité depuis longtemps, " Verduzco a déclaré. "Il y a eu une augmentation de l'efficacité de ces appareils, mais les propriétés mécaniques sont aussi très importantes, et cette partie a été négligée.

"Si vous étirez ou pliez des choses, vous obtenez des fissures dans la couche active et l'appareil tombe en panne."

Verduzco a déclaré qu'une approche pour résoudre le problème de fragilité serait de trouver des polymères ou d'autres semi-conducteurs organiques qui sont flexibles par nature, mais son laboratoire a pris une autre tactique. "Notre idée était de s'en tenir aux matériaux qui ont été soigneusement élaborés pendant 20 ans et que nous savons travailler, et trouver un moyen d'améliorer leurs propriétés mécaniques, " il a dit.

Plutôt que de faire un treillis et d'y verser les polymères semi-conducteurs, les chercheurs de Rice ont mélangé des réactifs de thiol-ène à base de soufre. Les molécules se mélangent aux polymères puis se réticulent les unes avec les autres pour offrir de la flexibilité.

Le processus n'est pas gratuit, car trop peu de thiolène laisse les polymères cristallins sujets à la fissuration sous contrainte, tandis que trop amortit l'efficacité du matériau.

Les tests ont aidé le laboratoire à trouver sa zone Goldilocks. « Si nous remplaçons 50 % de la couche active par ce maillage, le matériau recevrait 50 pour cent de lumière en moins et le courant chuterait, " dit Verduzco. " A un moment donné, ce n'est pas pratique. Même après avoir confirmé que le réseau se formait, nous devions déterminer la quantité de thiol-ène dont nous avions besoin pour supprimer la fracture et le maximum que nous pouvions en mettre sans le rendre sans valeur en tant qu'appareil électronique."

À environ 20 pour cent de thiol-ène, ils ont découvert que les cellules conservaient leur efficacité et gagnaient en flexibilité. "Ce sont de petites molécules et ne perturbent pas beaucoup la morphologie, " a déclaré Verduzco. "Nous pouvons faire briller la lumière ultraviolette ou appliquer de la chaleur ou simplement attendre, et avec le temps le réseau se formera. L'alchimie est douce, rapide et efficace."

L'étape suivante consistait à étirer le matériau. "Le P3HT pur (la couche active à base de polythiophène) a commencé à se fissurer à environ 6 % de déformation, " a déclaré Verduzco. " Lorsque nous avons ajouté 10 pour cent de thiol-ène, nous pourrions le forcer jusqu'à 14 pour cent. À environ 16% de déformation, nous avons commencé à voir des fissures dans tout le matériau."

À des contraintes supérieures à 30 %, le matériau s'est très bien plié mais est devenu inutile en tant que cellule solaire. "Nous avons constaté qu'il n'y a pratiquement aucune perte de notre photocourant jusqu'à environ 20 %, " dit-il. " Cela semble être le point idéal. "

Les dommages sous contrainte ont affecté le matériau même lorsque la contrainte a été relâchée. "La contrainte a un impact sur la façon dont ces domaines cristallins s'emballent et se traduit par des ruptures microscopiques dans l'appareil, " a déclaré Verduzco. " Les trous et les électrons ont encore besoin de chemins pour se rendre aux électrodes opposées. "

Il a déclaré que le laboratoire prévoyait d'essayer différents matériaux photovoltaïques organiques tout en s'efforçant de les rendre plus extensibles avec moins d'additifs pour les cellules de test plus grandes.