Les cellules solaires à base de polymères organiques sont d'un grand intérêt car les matériaux sont à la fois moins chers à fabriquer et plus faciles à traiter que ceux utilisés dans les cellules solaires inorganiques traditionnelles. À ce jour, cependant, les meilleurs rendements de conversion de puissance pour les cellules solaires polymères restent inférieurs au seuil d'application pratique. Itaru Osaka du Groupe de recherche sur les fonctions moléculaires émergentes du Centre RIKEN pour la science de la matière émergente et ses collègues ont maintenant découvert par hasard que la modification de la structure du polymère entraîne une amélioration significative de l'efficacité de conversion de puissance1.

Lorsque l'énergie lumineuse est absorbée par le polymère dans une cellule solaire polymère, les électrons sont excités à des niveaux d'énergie plus élevés pour produire un électron de haute énergie et un « trou » électronique correspondant. Pour convertir l'énergie lumineuse en courant électrique, ces électrons et trous doivent traverser le polymère jusqu'aux électrodes avant de se recombiner et l'énergie est perdue. De nombreuses recherches ont été consacrées à comprendre comment améliorer ce processus de conversion.

Osaka et ses collègues avaient travaillé avec un type particulier de copolymère contenant une structure répétitive naphthodithiophène-naphthobisthiadiazole appelée PNNT-DT. "Le PNNT-DT a une très faible solubilité, " explique Osaka, « nous étions donc intéressés à attacher des chaînes latérales alkyles supplémentaires au polymère pour améliorer sa capacité de traitement. » Comme prévu, cette modification a considérablement amélioré la solubilité du polymère, mais a également amélioré de manière significative et inattendue les rendements de conversion d'énergie des cellules solaires fabriquées avec le polymère.

Dans les cellules solaires, le polymère est déposé en couche mince, et l'analyse a révélé que ces nouveaux polymères « alkylés » étaient disposés de sorte que les chaînes de polymères reposent à plat en piles sur la surface plutôt qu'alignées perpendiculairement à celle-ci. Cela amène les porteurs de charge - électrons et trous - à se déplacer perpendiculairement à la surface plutôt que parallèlement, amélioration du rendement de conversion de puissance (Fig. 1). "Ce changement d'orientation inattendu a produit des cellules solaires avec une efficacité allant jusqu'à 8,2% contre seulement 5,5% pour le matériau non alkylé, " dit Osaka.

Finalement, Osaka et ses collègues espèrent exploiter cette amélioration spectaculaire de l'efficacité dans d'autres polymères afin de se rapprocher de la production de cellules solaires polymères qui peuvent vraiment rivaliser avec l'efficacité de 15 % ou plus des cellules solaires inorganiques. « Nous avons besoin de mieux comprendre pourquoi ce changement d'orientation du polymère se produit, puis nous devons l'appliquer à d'autres polymères capables d'absorber une gamme plus large de longueurs d'onde de la lumière visible, " il dit.