Il s'agit d'une vue moléculaire d'un film solaire polymère/fullerène montrant une interface entre les domaines accepteur et donneur. Les points rouges sont des molécules PC71BM et les lignes bleues représentent les chaînes PTB7. Les excitons sont représentés par des points jaunes, les points violets sont des électrons et les points verts représentent des trous. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Harald Ade, Université d'État de Caroline du Nord
Pourquoi les cellules solaires efficaces et abordables sont-elles si convoitées ? Le volume. La quantité d'énergie solaire éclairant la masse terrestre de la Terre chaque année est de près de 3, 000 fois le montant total de la consommation annuelle d'énergie humaine. Mais pour concurrencer l'énergie issue des combustibles fossiles, les appareils photovoltaïques doivent convertir la lumière du soleil en électricité avec une certaine efficacité. Pour les cellules photovoltaïques organiques à base de polymère, qui sont beaucoup moins chères à fabriquer que les cellules solaires à base de silicium, les scientifiques pensent depuis longtemps que la clé d'une efficacité élevée réside dans la pureté des deux domaines de la cellule polymère/organique :l'accepteur et le donneur. Maintenant, cependant, un itinéraire alternatif et peut-être plus facile vers l'avant a été montré.
Travaillant à la source lumineuse avancée (ALS) de Berkeley Lab, une première source de rayons X et de rayons ultraviolets pour la recherche, une équipe internationale de scientifiques a découvert que pour les cellules photovoltaïques polymères/organiques hautement efficaces, questions de taille.
« Nous avons montré que les domaines impurs, s'ils sont suffisamment petits, peuvent également conduire à des performances améliorées dans les cellules photovoltaïques organiques à base de polymères, " dit Harald Ade, un physicien à la North Carolina State University, qui a mené cette recherche. "Il semble y avoir un juste milieu, une sorte de sweet spot, entre la pureté et la taille du domaine qui devrait être beaucoup plus facile à atteindre que l'ultra-haute pureté."
Adé, un utilisateur de longue date de l'ALS, est l'auteur correspondant d'un article décrivant ce travail dans Matériaux énergétiques avancés intitulé "La mesure absolue de la composition du domaine et de la distribution de taille à l'échelle nanométrique explique les performances des cellules solaires PTB7:PC71 BM." Les co-auteurs sont Brian Collins, Zhe Li, John Tumbleston, Eliot Gann et Christopher McNeill.
L'efficacité de conversion des cellules solaires dans les cellules photovoltaïques polymères/organiques repose sur des excitons - des paires électron/trou alimentées par la lumière du soleil - atteignant rapidement les interfaces des domaines donneur et accepteur afin de minimiser l'énergie perdue sous forme de chaleur. La sagesse conventionnelle a soutenu que plus la pureté des domaines est grande, moins il y a d'impédances et plus le trajet de l'exciton est rapide.
Ade et ses co-auteurs sont devenus les premiers à mesurer simultanément la taille du domaine, composition et cristallinité d'une cellule solaire organique. Cet exploit a été rendu possible par les lignes de lumière ALS 11.0.1.2, une installation de diffusion des rayons X mous par résonance (R-SoXS) ; 7.3.3, une station terminale de diffusion des rayons X aux petits et grands angles (SAXS/WAXS/); et 5.3.2, une station d'extrémité pour la microscopie à rayons X à transmission à balayage (STXM).
Dit Collins, le premier auteur sur le Matériaux énergétiques avancés papier, "La combinaison de ces trois lignes de lumière ALS nous a permis d'obtenir des images complètes de la morphologie des films photovoltaïques organiques à base de polymères de l'échelle nano à l'échelle méso. Jusqu'à présent, cette information a été inaccessible."
L'équipe internationale a utilisé le trio de faisceaux ALS pour étudier le mélange polymère/fullerence PTB7:PC71BM dans des films minces fabriqués à partir d'une solution de chlorobenzène avec et sans addition (trois pour cent en volume) du solvant diiodooctane. Les films étaient composés de dispersions semblables à des gouttelettes dans lesquelles la taille du domaine accepteur dominant sans l'additif était d'environ 177 nanomètres. L'ajout du solvant a réduit la taille du domaine accepteur jusqu'à environ 34 nanomètres tout en préservant la composition et la cristallinité du film. Cela s'est traduit par un gain d'efficacité de 42 %.
"En montrant pour la première fois à quel point les domaines accepteurs dans les dispositifs solaires organiques sont purs et grands, ainsi qu'à quoi ressemble l'interface avec le domaine donneur, nous avons démontré que l'impact des solvants et des additifs sur les performances de l'appareil peut être dramatique et peut être systématiquement étudié, " dit Ade. " A l'avenir, notre technique devrait contribuer à faire progresser la conception rationnelle de films photovoltaïques organiques à base de polymères. »
