Infographie qui montre l'effet du co-solvant sur la solution de deux composants plastiques (molécules de polymère et de fullerène) pendant le processus de production de la cellule solaire en plastique. Sans le co-solvant, des gouttelettes de fullerène se forment, ce qui limite l'efficacité de la cellule solaire. Avec le co-solvant, les molécules de polymère se replient beaucoup plus rapidement, afin que les gouttelettes ne puissent pas se former. Crédit :TU Eindhoven / Hans van Franeker
L'efficacité des cellules solaires en plastique peut être doublée ou triplée si un solvant supplémentaire est ajouté pendant le processus de production, comparable au rôle de la levure chimique dans le mélange de pâte. On ne sait pas exactement comment cela fonctionne au cours des dix dernières années. Mais maintenant, des chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e) ont trouvé la réponse dans une publication en Communication Nature . Cette nouvelle compréhension permettra désormais un développement ciblé des cellules solaires en plastique.
Cellules solaires en plastique, également appelées cellules solaires organiques, utiliser des polymères au lieu du silicium habituel pour convertir l'énergie de la lumière du soleil en électricité. L'utilisation du plastique comme matériau de base permet de réduire le coût et le poids de ces cellules solaires, et les rend flexibles. Mais leur efficacité d'environ 10 pour cent reste encore inférieure à celle des cellules solaires au silicium commerciales, qui atteignent des rendements compris entre 15 et 20 pour cent.
Découverte fortuite
Il y a une dizaine d'années, il a été découvert par hasard que l'efficacité des cellules solaires en plastique a été multipliée par un facteur de deux à trois en ajoutant un solvant supplémentaire (« co-solvant ») au cours du processus de production. "Ces co-solvants sont désormais utilisés dans toutes les cellules solaires en plastique", dit le professeur TU/e René Janssen. "Mais personne ne savait exactement pourquoi ils ont un effet si favorable sur l'efficacité."
Morphologie
On savait qu'il y avait un lien avec la "morphologie" de la cellule solaire, en d'autres termes la structure exacte de deux composants plastiques mélangés dans la cellule entre lesquels les électrons se déplacent sous l'influence de la lumière solaire. Ces composants - tous deux des matières organiques - sont dissous pendant le processus de production, après quoi ils s'évaporent et durcissent. Le mystérieux co-solvant est toujours ajouté au solvant avant évaporation.
Taille des gouttelettes
Image TEM de la solution avec des gouttelettes. Crédit :TU Eindhoven
Les chercheurs d'Eindhoven dirigés par René Janssen ont utilisé une combinaison de technologies optiques pour trouver une explication définitive. Ils disent que s'ils n'ont pas ajouté de co-solvant, ils ont découvert que de grosses gouttelettes se formaient pendant le durcissement du mélange plastique. Ceux-ci ont un effet négatif sur le transport des électrons – et par conséquent sur l'efficacité de la cellule solaire. "Plus vous ajoutez de co-solvant à la solution, plus les bulles sont petites, jusqu'à ce qu'ils disparaissent complètement lorsqu'un contenu spécifique est atteint", dit Janssen.
'Pliage' et évaporation
Image TEM de la solution sans gouttelettes. Crédit :TU Eindhoven
Ils ont également trouvé la raison de cela. "Il y a deux effets qui se produisent pendant le processus de durcissement", dit Janssen. "D'une part la solution s'évapore, et ainsi que les polymères prennent une structure «pliée». Nous avons vu que le co-solvant fait démarrer ce processus de "pliage" à un stade beaucoup plus précoce, ce qui signifie que les bulles ne se forment finalement plus du tout. » De cette façon, le co-solvant agit comme une sorte de « levure chimique » :il améliore la structure du mélange, mais l'agent en lui-même ne suffit pas.
Plus efficace
Les chercheurs espèrent que leurs découvertes rendront le développement de cellules solaires en plastique plus efficace. "Jusqu'à présent, c'était surtout une question d'essais-erreurs", dit Janssen. "Mais maintenant, nous pouvons prédire avec beaucoup plus de précision ce qui est susceptible de fonctionner, et ce qui ne l'est pas."
