Chercheurs de l'Université Christian-Albrechts de Kiel (CAU), Allemagne, réussi à intégrer pour la première fois l'étain organique dans des polymères semi-conducteurs (plastiques). Des polymères semi-conducteurs peuvent être utilisés, par exemple, pour l'absorption de la lumière du soleil dans les cellules solaires. En incorporant de l'étain organique dans le plastique, la lumière peut être absorbée sur une large plage du spectre solaire. Le nouveau polymère est présenté par le chef de projet, le professeur Anne Staubitz et le doctorant Julian Linshöft dans la célèbre revue professionnelle " Angewandte Chemie, Édition internationale."

Contrairement aux conducteurs électriques tels que les métaux, les semi-conducteurs sont des matériaux qui ne conduisent l'électricité que dans certaines circonstances, par exemple sous irradiation avec de la lumière. En raison de cette propriété, les plastiques semi-conducteurs (également appelés polymères semi-conducteurs) sont des matériaux très prometteurs pour la dernière génération de cellules solaires – les cellules solaires organiques. Par rapport aux variantes inorganiques classiques, leur fabrication peut être moins chère et ce sont des matériaux très légers, ce qui peut être avantageux pour de nombreuses applications, par exemple dans le secteur des transports. "Toutefois, les cellules solaires organiques n'atteignent toujours pas les mêmes rendements que les cellules solaires inorganiques à base de silicium, de sorte qu'il existe un besoin substantiel de recherche dans ce domaine », Anne Staubitz de l'Otto Diels-Institute replace son domaine de recherche dans son contexte.

Un critère important de ces semi-conducteurs est l'efficacité avec laquelle ils absorbent la lumière du soleil afin de la convertir en électricité. Lorsque la lumière du soleil est convertie en électricité, les électrons chargés négativement dans le semi-conducteur passent d'un niveau d'énergie à un niveau d'énergie plus élevé. Ce processus laisse derrière lui un "trou" chargé positivement dans le niveau d'énergie inférieur. Ensuite, les charges s'infiltrent séparément vers les différents pôles électriques :Un courant peut être observé. La lumière du soleil est capable d'initier ce processus. Plus ces niveaux d'énergie sont rapprochés, plus ce processus est facile :plus de photons peuvent être absorbés et donc plus d'énergie solaire peut être utilisée. Polymères, dans lequel cet écart ("band gap") entre les niveaux d'énergie est faible, avoir un rouge, dans de rares cas même une couleur pourpre.

L'un des objectifs de la recherche sur les semi-conducteurs organiques synthétiques est donc de produire des polymères organiques avec de petites lacunes énergétiques (ou bandes interdites). Cependant, le développement de tels absorbant fortement la lumière, plastiques profondément colorés est très difficile et donc un domaine très actif dans la recherche actuelle. "Avec le nouveau matériel de nos laboratoires, il est visible à l'œil nu que nous avons réussi à développer de tels plastiques !", déclare Staubitz. Le polymère est violet foncé en solution et presque noir lorsqu'il est transformé en un film mince.

Afin d'obtenir de très faibles écarts énergétiques, les scientifiques de Kiel ont utilisé un nouveau concept. Ils ont incorporé de l'étain organique sous forme de molécules cycliques ("stannoles") dans le squelette carbone-polymère. L'étain appartient au même groupe chimique que le carbone et est donc similaire dans certaines de ses propriétés. Les propriétés électroniques cependant entre les stannoles et les congénères carbonés correspondants (cyclopentadiènes) sont très différentes. "L'étain n'est pas qu'un atome de carbone en surpoids", Anne Staubitz explique. "Il peut abaisser considérablement les niveaux énergétiques de ses composés organiques." Mais jusqu'à maintenant, personne n'a pu utiliser ces propriétés spéciales de l'étain dans les matériaux polymères.

L'assemblage de ces éléments constitutifs moléculaires individuels (les monomères) était une tâche difficile pour les chercheurs :les monomères ne contenaient pas seulement l'étain souhaité dans les unités de stannole elles-mêmes; l'étain organique était également présent dans les groupes de couplage réactifs qui étaient nécessaires pour joindre les monomères ensemble pour former le polymère. Seuls ces groupes étaient censés réagir, alors que les anneaux de stannole ne doivent pas être attaqués. C'était vital, car toute réaction secondaire indésirable conduirait à un raccourcissement important de la chaîne polymère, conduisant à une détérioration substantielle de la qualité du polymère. "C'était un projet à haut risque, parce que les réactions de couplage qui peuvent choisir entre deux groupes d'étain organiques différents n'étaient pas connues en chimie auparavant", dit Staubitz. Par conséquent, Le doctorant Julian Linshöft n'a pas seulement eu à développer une mais une réaction de couplage croisé hautement sélective. "La première difficulté a été de trouver les bons schémas de réactivité pour les monomères", se souvient Linshöft. "Pour ça, il n'y avait pas de plomb dans la littérature chimique jusqu'à présent."

L'expérience a été un succès. L'équipe a pu préparer le plastique souhaité en utilisant du palladium comme catalyseur de réaction. Le matériau peut être transformé facilement en films minces, qui brillent en noir et dont l'application dans les cellules solaires peut désormais être testée. Linshöft, dont le travail a été financé par une bourse de la Fondation allemande pour l'environnement dit :« Enfin, nous sommes en mesure de préparer ces nouveaux plastiques semi-conducteurs. Leur plein potentiel pourra être évalué dans un avenir proche. »