Les progrès des films ultrafins ont rendu les panneaux solaires et les dispositifs semi-conducteurs plus efficaces et moins coûteux, et des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie disent avoir trouvé un moyen de fabriquer les films plus facilement, trop.

Typiquement, les films utilisés par les cellules solaires organiques à hétérojonction en vrac, ou BHJ, pour convertir l'énergie solaire en électricité - sont créés dans une solution en mélangeant des polymères conjugués et des fullerènes, molécules de carbone ressemblant à des ballons de football, également appelées buckyballs.

Prochain, le mélange est coulé par centrifugation sur un substrat en rotation pour assurer l'homogénéité, puis envoyé en post-traitement pour être recuit. Le recuit du matériau - le chauffer puis le refroidir - permet de réduire la dureté du matériau tout en augmentant sa ténacité, ce qui facilite le travail.

La souplesse rend les BHJ plus attrayants que leurs homologues en silicium cristallin plus coûteux, mais le processus de recuit prend du temps.

Maintenant, les chercheurs de l'ORNL disent qu'un simple solvant peut faire du recuit thermique une chose du passé.

Dans une collaboration entre la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL et le Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) - tous deux du DOE Office of Science User Facilities - la chercheuse postdoctorale Nuradhika Herath a dirigé une équipe de scientifiques des neutrons et des matériaux dans une étude de la morphologie, ou structure, des films BHJ.

« L'optimisation de la morphologie d'un film est la clé pour améliorer les performances de l'appareil, " a déclaré Herath. " Ce que nous voulons découvrir, c'est la relation entre les structures de mélange et les performances photovoltaïques. elle a ajouté.

Les chercheurs ont comparé le recuit thermique avec une méthode qui ajoute une petite quantité de solvant qui aide à dissoudre les fullerènes dans le mélange et contribue à rendre la structure du film plus uniforme.

L'idée est d'obtenir le mélange le plus uniforme de molécules absorbant la lumière (par exemple, polymères ou autres molécules) et des fullerènes dans tout le film. Si le mélange n'est pas homogène, des amas se forment et provoquent l'absorption des électrons qui passent, affaiblissant la capacité du film à transporter le courant électrique, ce qui à son tour diminue les performances de l'appareil.

Étant donné que les films ont généralement une épaisseur d'environ 100 nanomètres (à titre de comparaison, un cheveu humain vaut environ 75, 000 nanomètres de diamètre) et le profil de profondeur de la composition est très complexe, des instruments spéciaux sont nécessaires pour mesurer la morphologie du matériau. Pour ça, les chercheurs se sont tournés vers la diffusion des neutrons.

Après avoir mélangé et coulé par centrifugation deux échantillons différents au CNMS, l'un recuit, l'autre avec un additif solvant - l'équipe a placé les deux films sous l'œil du réflectomètre de magnétisme (MR) de SNS, ligne de faisceau 4A. MR leur a fourni une représentation précise des profils structurels, qui a révélé exactement comment les polymères et les fullerènes s'arrangeaient dans les deux films. La différence entre eux était évidente.

Alors que la morphologie de l'échantillon recuit montrait clairement une séparation significative entre les polymères et les fullerènes, l'échantillon contenant l'additif de solvant était remarquablement cohérent dans l'ensemble et avait de meilleurs résultats.

« La raison en est que lorsque nous utilisons un solvant au lieu d'un recuit, l'échantillon sèche très lentement, il y a donc suffisamment de temps pour que le système soit entièrement optimisé, " a déclaré Valeria Lauter, scientifique en chef des instruments de MR. " Nous constatons qu'un recuit supplémentaire n'est pas nécessaire car, en un sens, le système est déjà aussi parfait qu'il peut l'être."

La réflectométrie neutronique est une méthode puissante car elle rend efficacement de nombreux matériaux transparents, Lauter a expliqué. Au lieu de chercher la clé qui ouvre la boîte noire métaphorique qui empêche les chercheurs de voir la structure atomique d'un matériau, elle dit, les neutrons le traversent tout simplement, donner aux chercheurs des informations à la fois qualitatives et quantitatives sur leur problème.

Non seulement les informations obtenues à partir des neutrons contribueront à augmenter l'efficacité des performances des cellules solaires, mais ils rationaliseront également le processus de fabrication. L'utilisation d'additifs de solvants pour optimiser la morphologie des films BHJ pourrait éliminer le besoin d'investir davantage dans un processus moins efficace - un gain de temps, de l'argent, et des ressources.

"En outre, l'optimisation des propriétés photovoltaïques fournit des informations pour fabriquer des cellules solaires avec une morphologie et des performances de dispositif entièrement contrôlées, " a déclaré Herath. " Ces découvertes aideront à développer des systèmes photovoltaïques " idéaux ", ce qui nous rapproche un peu plus de la production d'appareils commercialisés."