Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord et de l'Académie chinoise des sciences ont trouvé un moyen simple de modifier la structure moléculaire d'un polymère couramment utilisé dans les cellules solaires. Leur modification peut augmenter l'efficacité des cellules solaires de plus de 30 pour cent.

Les cellules solaires à base de polymère ont deux domaines, constitué d'un accepteur d'électrons et d'un matériau donneur d'électrons. Les excitons sont les particules d'énergie créées par les cellules solaires lorsque la lumière est absorbée. Afin d'être exploité efficacement comme source d'énergie, les excitons doivent être capables de se déplacer rapidement jusqu'à l'interface des domaines donneur et accepteur et de conserver autant d'énergie lumineuse que possible.

Une façon d'augmenter l'efficacité des cellules solaires consiste à ajuster la différence entre l'orbite moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) de l'accepteur et les niveaux d'orbite moléculaire inoccupée (LUMO) les plus bas du polymère afin que l'exciton puisse être récolté avec une perte minimale. L'un des moyens les plus courants d'y parvenir est d'ajouter un atome de fluor au squelette moléculaire du polymère, un difficile, processus en plusieurs étapes qui peut augmenter les performances de la cellule solaire, mais a des coûts de fabrication de matériaux considérables.

Une équipe de chimistes dirigée par Jianhui Hou de l'Académie chinoise des sciences a créé un polymère connu sous le nom de PBT-OP à partir de deux monomères disponibles dans le commerce et d'un monomère facilement synthétisé. Wei Ma, un chercheur en physique post-doctoral de l'État de Caroline du Nord et auteur correspondant sur un article décrivant la recherche, ont effectué l'analyse aux rayons X de la structure du polymère et de la morphologie donneur:accepteur.

Le PBT-OP était non seulement plus facile à fabriquer que d'autres polymères couramment utilisés, mais une simple manipulation de sa structure chimique lui a donné un niveau HOMO inférieur à celui observé dans d'autres polymères avec le même squelette moléculaire. PBT-OP a montré une valeur de tension en circuit ouvert (la tension disponible à partir d'une cellule solaire) de 0,78 volts, une augmentation de 36 pour cent par rapport à la moyenne de ~ 0,6 volt de polymères similaires.

Selon le physicien et co-auteur de l'État de Caroline du Nord, Harald Ade, l'approche de l'équipe présente plusieurs avantages. « L'inconvénient possible de la modification de la structure moléculaire de ces matériaux est que vous pouvez améliorer un aspect de la cellule solaire mais créer par inadvertance des conséquences imprévues dans les appareils qui vont à l'encontre de l'intention initiale, " dit-il. " Dans ce cas, nous avons trouvé un moyen chimiquement simple de modifier la structure électronique et d'améliorer l'efficacité de l'appareil en capturant une fraction plus importante de l'énergie lumineuse, sans modifier la capacité d'absorption du matériau, créer et transporter de l'énergie.

Les découvertes des chercheurs apparaissent dans Matériaux avancés . La recherche a été financée par le département américain de l'Énergie et le ministère chinois de la Science et de la Technologie. Le Dr Maojie Zhang a synthétisé les polymères; Xia Guo, Shaoqing Zhang et Lijun Huo de l'Académie chinoise des sciences ont également contribué au travail.