Les cellules solaires organiques (OSC), qui utilisent des polymères organiques pour convertir la lumière du soleil en électricité, ont reçu une attention considérable pour leurs propriétés souhaitables en tant que sources d'énergie de nouvelle génération. Ces propriétés incluent sa nature légère, sa flexibilité, son évolutivité et une efficacité de conversion de puissance élevée (> 19%). Actuellement, plusieurs stratégies existent pour améliorer les performances et la stabilité des OSC. Cependant, un problème qui subsiste est la difficulté de contrôler la morphologie de la couche active dans les OSC lors de la mise à l'échelle sur de grandes surfaces. Il est donc difficile d'obtenir des films minces de couche active de haute qualité et, par conséquent, d'affiner l'efficacité du dispositif.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs de l'Institut des sciences et technologies de Gwangju, en Corée, a entrepris de résoudre ce problème. Dans leurs travaux, publiés dans Advanced Functional Materials , ils ont proposé une solution qui semble assez contre-intuitive à première vue :utiliser le traitement de l'eau pour contrôler la morphologie de la couche active.

"L'eau est connue pour entraver les performances des appareils électroniques organiques, car elle reste dans les" états de piège "du matériau organique, bloquant le flux de charge et dégradant les performances de l'appareil. Cependant, nous avons pensé qu'utiliser de l'eau plutôt qu'un solvant organique- à base de solution active comme moyen de traitement permettrait les changements physiques nécessaires sans provoquer de réactions chimiques », explique le professeur Dong-Yu Kim, qui a dirigé l'étude.

Les chercheurs ont choisi les polymères PTB7-Th et PM6 comme matériaux donneurs et PC₆₁ BM et EH-IDTBR et Y6 comme matériaux accepteurs pour la couche active. Ils ont remarqué que l'induction d'un vortex pour mélanger les matériaux donneur et accepteur dans la solution active pouvait conduire à une solution active bien mélangée, mais cela ne suffisait pas à lui seul.

La solution active était hydrophobe et, par conséquent, les chercheurs ont décidé d'utiliser de l'eau déionisée (DI) et des vortex pour agiter la solution. Ils ont laissé les matériaux donneur et accepteur reposer dans du chlorobenzène (solution active hôte) pendant la nuit, puis ont ajouté de l'eau DI dans la solution et l'ont agitée, créant de minuscules tourbillons.

En raison de la nature hydrophobe de la solution, l'eau a poussé sur les molécules donneuses et acceptrices, les faisant se dissoudre plus finement dans la solution. Ils ont ensuite laissé reposer la solution, ce qui a provoqué la séparation de l'eau de la solution. Cette eau a ensuite été éliminée et la solution active traitée à l'eau a été utilisée pour préparer des films minces de PTB7-Th :PC₆₁ BM (F, fullerène), PTB7-Th :EH-IDTBR (NF, fullerène) et PM6 :Y6 (H-NF, non-fullerène à haut rendement).

Les chercheurs ont ensuite examiné les performances photovoltaïques de ces couches minces dans une configuration OSC inversée revêtue de puces à fente et les ont comparées à celles des OSC sans traitement de l'eau.

"Nous avons observé que la solution active traitée à l'eau conduisait à des couches minces de couche active plus uniformes, qui présentaient des efficacités de conversion de puissance supérieures à celles non traitées à l'eau. De plus, nous avons fabriqué des modules OSC de grande surface avec une surface active de 10 cm ² , qui a montré une efficacité de conversion aussi élevée que 11,92 % pour les films H-NF traités à l'eau », déclare le professeur Kim. + Explorer davantage

Plus de 14 % d'efficacité pour une cellule solaire organique ternaire avec une couche active de 300 nm d'épaisseur