La création de la prochaine génération de cellules solaires et de capteurs nécessite un examen attentif de la façon dont la lumière interagit avec les matériaux sensibles à la lumière. Les recherches menées au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) font progresser cette compréhension vers un avenir flexible, des cellules solaires hautement efficaces et des outils optiques de pointe.

Concevoir de nouvelles technologies exploitant la lumière à partir de matériaux organiques, les scientifiques explorent les fonctions moléculaires de base en jeu. Par exemple, l'utilisation de composants à base de carbone spécialement conçus pourrait permettre une flexibilité, cellules solaires à couche mince, ou photovoltaïque. Ce type de matériel pourrait tout permettre, des vitres teintées génératrices d'électricité aux chargeurs portables, l'expansion de l'énergie solaire bien au-delà du traditionnel, panneaux de toit à base de silicone. Cependant, il reste encore beaucoup à découvrir sur les éléments constitutifs de ces photovoltaïques organiques qui offriront un rendement élevé, durabilité et faible coût.

"À certains égards, le photovoltaïque d'aujourd'hui est comme l'industrie automobile des débuts, " a déclaré Richard Schaller, physico-chimiste à Argonne et professeur à la Northwestern University. "Une douzaine ou plus d'approches différentes d'ingénierie et de matériaux visent toutes à utiliser l'énergie solaire, mais ils ciblent plusieurs marchés identifiés, ainsi que de répondre aux différents facteurs de coût et de performance."

De tels matériaux s'étendent épais, inorganiques cristallins de haute pureté comme le silicium à faible coût, des plastiques organiques beaucoup plus minces et de petites molécules qui nécessitent moins d'énergie initiale pour leur fabrication.

Le cœur des cellules solaires organiques est composé de régions distinctes appelées donneurs d'électrons et accepteurs d'électrons. Lorsque les photons de la lumière du soleil frappent ces régions, les photons déposent de l'énergie dans des électrons chargés négativement, qui sont excités et produisent des trous chargés positivement là où se trouvaient les électrons. Ces paires électron-trou se collent en raison de leur charge opposée et sont appelées excitons. Lorsque les excitons rencontrent l'interface entre le donneur et l'accepteur, ils peuvent se séparer, faciliter le transfert séparé des électrons se déplaçant vers une électrode et des trous vers l'autre, générer un courant.

Sphérique, les molécules de carbone creuses connues sous le nom de fullerènes font de grands accepteurs dans une cellule, mais les fullerènes ont des inconvénients, dit Lin Chen, un Distinguished Fellow à Argonne et professeur de chimie à l'Université Northwestern.

"Le fullerène est difficile à synthétiser, et plus cher au poids que l'or, ", a-t-elle déclaré. "Ce fut un processus continu pour trouver des accepteurs non fullerènes qui sont rentables et robustes pour les cellules solaires organiques de longue durée."

Chen, Schaller et ses collègues étudient les dérivés du pérylènediimide (PDI), qui sont des alternatives potentielles aux fullerènes basées sur une classe de pigments peu coûteux. Dans une étude récente, les chercheurs ont examiné six variantes de PDI synthétisées par Luping Yu, co-auteur de l'étude et professeur de chimie à l'Université de Chicago, et ses collègues. L'objectif était de voir comment les changements dans la structure moléculaire affectaient l'efficacité de conversion de la lumière des PDI.

Ces molécules PDI sont liées entre elles en paires appelées dimères pour améliorer leurs communications électroniques avec les matériaux donneurs. L'étude a comparé les activités parmi ces dimères avec des lieurs de longueur et de rigidité différentes. La recherche, qui a été publié dans la revue Sciences chimiques en juin, 2020, l'expertise expérimentale et théorique combinée des collaborateurs pour assembler la caractérisation la plus complète à ce jour de différentes structures PDI pour le photovoltaïque.

Côté expérimental, les chercheurs ont examiné les dimères avec une spectroscopie d'émission ultrarapide et d'absorption transitoire pour mesurer en temps réel la dynamique de génération d'excitons, évolution et décadence. Ces études optiques, qui aident à suivre avec sensibilité l'activité des excitons en enregistrant différents spectres de lumière lorsque les photons sont absorbés ou émis par le matériau, ont été menées au Centre des matériaux nanométriques (CNM) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Les mesures de lumière résolues en temps ont été validées par des calculs complets de George Schatz, co-auteur de l'étude et professeur de chimie à la Northwestern University, qui, avec des collègues, a examiné la dépendance structurelle des niveaux d'énergie dans ces molécules, comme la façon dont le linker entre deux PDI modifie la densité du flux d'électrons entre eux.

Dans une étude distincte, Chen, Schaller et ses collègues ont évalué l'activité des excitons de molécules assemblées connues sous le nom de cadres organiques covalents bidimensionnels, ou COF 2D, conçu par le co-auteur de l'étude William Dichtel et ses collègues de la Northwestern University. Les COF ont un potentiel d'utilisation dans les diodes électroluminescentes, capteurs chimiques et photovoltaïques - leur précision géométrique se prête à un transport efficace de l'énergie. Mais on sait peu de choses sur le comportement réel des électrons dans ces matériaux émergents.

Les COF 2D ressemblent à des flocons de neige qui peuvent être empilés ou liés pour créer un réseau de transport d'électrons. Alors qu'ils se rejoignent, leurs propriétés changent, et les chercheurs voulaient savoir pourquoi. Ils ont inspecté ces structures cristallines, utilisant à nouveau la spectroscopie d'absorption transitoire à la Northwestern University et au CNM, ainsi que la ligne de lumière de l'équipe d'accès collaboratif DuPont-Northwestern-Dow (DND-CAT) à la source avancée de photons, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne.

La poudre diffuse la lumière dans une mesure qui la rend difficile à caractériser par spectroscopie. Pour contourner ce problème, les chercheurs ont créé une solution colloïdale de COF, permettant une caractérisation photophysique qui n'aurait pas été possible autrement.

"Les COF colloïdaux sont à un stade assez précoce, " a déclaré Schaller. " Dans le passé, ils n'ont été fabriqués que sous forme de poudres solides, et donc même le simple fait d'étudier leurs propriétés a été un défi que William Dichtel a réussi à relever."

La spectroscopie a été utilisée pour mesurer l'activité électronique, tandis que la ligne de lumière DND-CAT a aidé à mesurer la taille et le tassement moléculaire du domaine cristallin des COF.

"Nous avons découvert une très grande mobilité des excitons dans les COF 2D, ce qui était inattendu, " a déclaré Chen. " Les résultats renforcent la promesse de ces structures pour des applications opto-électroniques potentielles. "

Les résultats de l'équipe sont détaillés dans l'article « Large exciton diffusion coefficients in two-dimensional covalent organic frameworks with different domain size found by ultrafast exciton dynamics, " qui a été publié en juillet dernier dans le Journal de l'American Chemical Society .