Une équipe de chimistes des matériaux, scientifiques des polymères, les physiciens des dispositifs et d'autres à l'Université du Massachusetts Amherst rapportent aujourd'hui une technique révolutionnaire pour contrôler l'assemblage moléculaire de nanoparticules sur plusieurs échelles de longueur qui devrait permettre plus rapidement, moins cher, fabrication plus écologique de photovoltaïque organique et d'autres appareils électroniques. Les détails sont dans le numéro actuel de Lettres nano .

Enquêteur principal, le chimiste Dhandapani Venkataraman, souligne que les nouvelles techniques répondent avec succès à deux objectifs majeurs pour la fabrication de dispositifs :contrôler l'assemblage moléculaire et éviter les solvants toxiques comme le chlorobenzène. "Maintenant, nous avons un moyen rationnel de contrôler cet assemblage dans un système à base d'eau, " dit-il. " C'est une toute nouvelle façon d'aborder les problèmes. Avec cette technique, nous pouvons le forcer dans la structure exacte que vous voulez."

Le chimiste des matériaux Paul Lahti, co-directeur avec Thomas Russell de l'Energy Frontiers Research Center (EFRC) de l'UMass Amherst, soutenu par le département américain de l'Énergie, dit, "L'une des grandes implications de ce travail est qu'il va bien au-delà du photovoltaïque organique ou des cellules solaires, où cette avance est appliquée en ce moment. En regardant la situation dans son ensemble, cette technique offre une solution très prometteuse, nouvelle approche flexible et écologique d'assemblage de matériaux pour fabriquer des structures d'appareils."

Lahti compare l'avancée de l'équipe UMass Amherst en science des matériaux au type d'avantages que l'industrie de la construction a vu avec les unités de construction préfabriquées. "Cette stratégie s'inscrit dans cette ligne philosophique générale, " dit-il. "Notre groupe a découvert un moyen d'utiliser l'emballage de sphères pour que toutes sortes de matériaux se comportent dans une solution aqueuse avant qu'ils ne soient pulvérisés sur des surfaces en couches minces et assemblés en un module. Nous pré-assemblons quelques blocs de construction de base avec quelques caractéristiques prévisibles, qui sont ensuite disponibles pour construire votre appareil complexe."

"Quelqu'un doit encore le brancher et l'aménager comme il veut, " Lahti ajoute. " Ce n'est pas fini, mais de nombreuses pièces sont pré-assemblées. Et vous pouvez commander les caractéristiques dont vous avez besoin, par exemple, une certaine direction ou force de flux d'électrons. Tous les modules peuvent être réglés pour avoir la capacité de fournir une disponibilité d'électrons d'une certaine manière. La disponibilité peut être ajustée, et nous avons montré que cela fonctionnait."

La nouvelle méthode devrait réduire le temps que les entreprises de nanofabrication consacrent à la recherche par essais et erreurs de matériaux pour fabriquer des appareils électroniques tels que des cellules solaires, transistors organiques et diodes électroluminescentes organiques. "L'ancienne méthode peut prendre des années, " dit Lahti.

"Un autre de nos principaux objectifs est de créer quelque chose qui puisse être étendu de la nano à la méso-échelle, et notre méthode le fait. C'est aussi beaucoup plus écologique car nous utilisons de l'eau au lieu de solvants dangereux dans le processus, " il ajoute.

Pour le photovoltaïque, Venkataraman fait remarquer, "La prochaine chose est de fabriquer des appareils avec d'autres polymères à venir, pour augmenter l'efficacité de conversion de puissance et pour les fabriquer sur des substrats flexibles. Dans cet article, nous avons travaillé sur le verre, mais nous voulons traduire en matériaux flexibles et produire des matériaux manufacturés roll-to-roll avec de l'eau. Nous nous attendons à obtenir une efficacité beaucoup plus grande. » Il suggère qu'atteindre une efficacité de conversion de puissance de 5 pour cent justifierait l'investissement pour faire de petits, panneaux solaires flexibles pour alimenter des appareils tels que des téléphones intelligents.

Si le téléphone intelligent moyen utilise 5 watts de puissance et que les 307 millions d'utilisateurs américains sont passés des batteries à l'énergie solaire flexible, il pourrait économiser plus de 1500 mégawatts par an. "C'est presque la production d'une centrale nucléaire, " Venkataraman dit, "and it's more dramatic when you consider that coal-fired power plants generate 1 megawatt and release 2, 250 lbs. of carbon dioxide. So if a fraction of the 6.6 billion mobile phone users globally changed to solar, it would reduce our carbon footprint a lot."

Doctoral student and first author Tim Gehan says that organic solar cells made in this way can be semi-transparent, également, "so you could replace tinted windows in a skyscraper and have them all producing electricity during the day when it's needed. And processing is much cheaper and cleaner with our cells than in traditional methods."

Venkataraman credits organic materials chemist Gehan, with postdoctoral fellow and device physicist Monojit Bag, with making "crucial observations" and using "persistent detective work" to get past various roadblocks in the experiments. "These two were outstanding in helping this story move ahead, " he notes. For their part, Gehan and Bag say they got critical help from the Amherst Fire Department, which loaned them an infrared camera to pinpoint some problem hot spots on a device.

It was Bag who put similar sized and charged nanoparticles together to form a building block, then used an artist's airbrush to spray layers of electrical circuits atop each other to create a solar-powered device. Il dit, "Here we pre-formed structures at nanoscale so they will form a known structure assembled at the meso scale, from which you can make a device. Avant, you just hoped your two components in solution would form the right mesostructure, but with this technique we can direct it to that end."