Le plus grand obstacle à l'utilisation de l'énergie solaire a été le prix excessivement élevé des cellules solaires constituées de semi-conducteurs inorganiques. En revanche, les cellules solaires à base de polymères semi-conducteurs sont abordables, léger, mince, et flexible - mais leur performance a fait défaut. Une équipe dirigée par Chain-Shu Hsu à l'Université nationale Chaio Tung et Yuh-Lin Wang à l'Academia Sinica à Taiwan a maintenant développé une nouvelle approche qui utilise des nanotiges de fullerène pour augmenter considérablement l'efficacité des cellules solaires à base de polymère. Ils présentent leur travail dans la revue Angewandte Chemie .
Dans la couche photoactive d'une cellule solaire, l'énergie lumineuse libère les électrons. Cela laisse des espaces ou des « trous » chargés positivement. Les électrons et les trous doivent être séparés rapidement et efficacement, soit ils se recombinent et réduisent la puissance de la cellule solaire. L'efficacité d'une cellule solaire dépend donc de la façon dont la charge résultante est dirigée et transportée vers les électrodes.
Dans les cellules solaires polymères, il est possible d'atteindre une séparation de charge plus efficace grâce à l'ajout d'accepteurs, tels que les fullerènes, qui prennent des électrons. Un concept très prometteur consiste à intégrer les molécules acceptrices dans une matrice désordonnée constituée de chaînes polymères photoactives. La surface limite entre les deux composants est ainsi répartie sur l'ensemble de la couche. Cette construction est connue sous le nom de « contact hétérogène en vrac ». Après séparation des charges, les électrons et les trous sont situés dans différents systèmes moléculaires, qui les transportent sélectivement vers des électrodes opposées.
Le problème est que les deux matériaux ne sont pas uniformément répartis. Les parcours des charges sont ainsi désordonnés, permettant aux trous et aux électrons de se rencontrer facilement. En outre, des îlots séparés par des charges peuvent apparaître. La solution serait un « contact en vrac-hétéro ordonné », une structure périodique de direction verticale, régions interpénétrantes des deux matériaux. Les électrons et les trous auraient alors des chemins rectilignes qui ne se croisent pas. Cependant, il n'a pas été possible auparavant de réaliser une photocouche efficace utilisant ce principe, parce que les composants ne sont pas mélangés moléculairement, rendant les chemins des électrons trop longs pour produire une séparation de charge efficace.
Les chercheurs taïwanais ont décidé de combiner les deux principes structurels. En utilisant un procédé de nano-coulée, ils ont produit une couche de nanotiges orientées verticalement à partir d'un matériau fullerène polymère réticulant. Les espaces entre les tiges ont été remplis d'un mélange constitué d'un polymère photoactif et d'un fullerène. Cette couche assure une séparation efficace des charges, et l'interpénétration des nanotiges de fullerène assure un transport de charge ordonné – et donc efficace. Les cellules solaires fabriquées avec cette nouvelle couche photoélectrique combinée sont stables et atteignent des performances étonnamment élevées.
