Les chercheurs de Skoltech et leurs collègues ont synthétisé un nouveau polymère conjugué pour l'électronique organique en utilisant deux réactions chimiques différentes et ont montré l'impact des deux méthodes sur ses performances dans les cellules solaires organiques et pérovskites. L'article a été publié dans la revue Chimie et physique macromoléculaires .

Alors que le monde essaie de passer à une énergie propre et renouvelable, comme l'énergie solaire, les scientifiques travaillent à rendre les cellules solaires plus efficaces pour produire de l'électricité. Parmi les approches prometteuses figurent deux technologies photovoltaïques en développement rapide avec un potentiel de production d'énergie solaire durable et peu coûteuse :les cellules solaires organiques et les cellules solaires à pérovskite aux halogénures de plomb. Leur principal avantage par rapport aux cellules solaires commerciales à base de silicium cristallin est le faible coût de dépôt de la couche photoactive à partir de la solution. Il rend la production d'énergie moins chère, simplifie la mise à l'échelle avec les techniques d'impression et la fabrication rouleau à rouleau, et permet la fabrication de dispositifs sur des surfaces flexibles et extensibles.

Cependant, il existe plusieurs obstacles à l'adoption généralisée de ces technologies. Pour une chose, l'efficacité des cellules solaires organiques a encore un long chemin à parcourir. Cela nécessitera de peaufiner la composition de la couche photoactive. Dans les cellules solaires organiques, la conversion lumière-énergie se produit dans la couche photoactive constituée d'un mélange de matériaux donneurs et accepteurs - le donneur est généralement un polymère conjugué.

Quant aux cellules solaires à pérovskite, ils ont atteint une efficacité record certifiée spectaculaire de 25,5%, mais la stabilité à long terme reste un problème. Des recherches récentes ont montré que la stabilité du dispositif peut être améliorée en recouvrant le matériau de pérovskite photoactif d'une couche d'extraction de charge qui fournit une encapsulation efficace. Entre autres matériaux, cette fonction protectrice peut être remplie par des polymères conjugués, il est donc important de maximiser leur qualité en améliorant leur synthèse.

"Les polymères conjugués ont une variété d'applications importantes, nous incitant à rechercher des moyens d'optimiser leur synthèse pour améliorer leur qualité, ce qui conduirait à une meilleure performance des dispositifs photovoltaïques. Notre étude porte sur un type particulier de polymères conjugués, qui contiennent le motif isoindigo dans la chaîne polymère. Les résultats démontrent qu'entre les deux voies de synthèse appliquées pour la synthèse de matériaux à base d'isoindigo, la réaction de Stille doit être préférée à la réaction de Suzuki comme étape finale de la synthèse, ", a expliqué Marina Tepliakova, doctorante à Skoltech.

En collaboration avec Skoltech Provost Keith Stevenson et leurs collègues du RAS Institute for Problems of Chemical Physics, Marina Tepliakova a synthétisé un polymère conjugué à base d'isoindigo, un isomère du colorant indigo bien connu. L'équipe a utilisé deux voies de synthèse couramment utilisées pour produire des polymères à base d'isoindigo :les réactions de polycondensation de Stille et de Suzuki.

Les polymères conjugués sont des matériaux organiques contenant généralement des unités donneuses et acceptrices alternées dans leur structure, c'est pourquoi ils sont également appelés matériaux D-A-D-A-D. Les unités D et A, appelés monomères, sont liés en chaînes polymériques à l'aide de diverses réactions de polymérisation, dont chacun repose sur les monomères portant certains groupes fonctionnels supplémentaires pour commencer. Pour les polymères incorporant l'unité isoindigo comme composant accepteur, deux voies synthétiques sont disponibles, et l'étude de l'équipe Skoltech-IPCP RAS les a examinés tous les deux.

Outre la distinction de groupe fonctionnel mentionnée ci-dessus, les deux voies de synthèse sont différentes en termes de conditions réactionnelles requises. Par exemple, le procédé de polycondensation Suzuki nécessite la présence d'une base inorganique avec les deux monomères dans le mélange de fluides non miscibles :eau et solvant organique. Le transfert de monomère entre les phases est permis par des molécules spéciales appelées catalyseurs de transfert. La réaction de Stille se produit généralement en une seule phase et à des températures élevées. En outre, les deux réactions nécessitent des catalyseurs à base de palladium.

"Notre première observation était que les conditions standard de la réaction de Suzuki étaient incompatibles avec la synthèse de monomères à base d'isoindigo, " a commenté Marina Tepliakova. " En utilisant la chromatographie liquide à haute performance, nous avons observé la décomposition du signal du monomère en trois signaux distincts de certains sous-produits avec des temps de rétention différents dans les conditions standard de Suzuki. Cela signifiait qu'une destruction irréversible du monomère à base d'isoindigo avait lieu. Nous avons donc ajusté les conditions de réaction jusqu'à ce qu'elles ne soient pas nocives pour le matériau."

Après avoir peaufiné la réaction de Suzuki, l'équipe a ensuite synthétisé le polymère en utilisant les deux voies. Les matériaux résultants se sont avérés avoir des poids moléculaires et des propriétés optoélectroniques similaires. Prochain, les chercheurs ont testé les échantillons dans des dispositifs photovoltaïques :des cellules solaires organiques et pérovskites. Le polymère obtenu à l'aide de la réaction de Stille a démontré des performances supérieures avec des rendements de 15,1% et 4,1% dans la pérovskite et les cellules solaires organiques, respectivement; avec le matériau dérivé de Suzuki offrant des rendements de 12,6 % et 2,7 %.

L'équipe a attribué la différence de performance à la présence de ce qu'on appelle des pièges à charge dans le matériau obtenu à l'aide de la réaction de Suzuki. Cette hypothèse a été confirmée en utilisant une technique appelée résonance de spin électronique, qui a montré que le matériau obtenu via la voie de Stille avait cinq fois moins de défauts.

En ajustant l'approche de la synthèse de monomères à base d'isoindigo, les chercheurs ont trouvé un moyen de produire un matériau de haute qualité qui fonctionne bien dans les cellules photovoltaïques. Dans une expérience de suivi, l'équipe synthétise maintenant plusieurs matériaux à tester dans des cellules solaires à pérovskite. Cette étude à venir clarifiera le lien entre la structure des matériaux et les performances de l'appareil.