Le photovoltaïque organique présente un grand potentiel pour la production à grande échelle, production d'énergie solaire rentable. Un défi à surmonter est le mauvais ordre des couches minces au-dessus des électrodes. Utilisant l'auto-assemblage sur atomiquement plat, substrats transparents, une équipe de scientifiques de l'Université technique de Munich (TUM) a conçu des monocouches ordonnées de réseaux moléculaires avec des réponses photovoltaïques. Les résultats ouvrent des possibilités intrigantes pour la fabrication ascendante de dispositifs optoélectroniques avec une précision moléculaire.

La nature est inégalée lorsqu'il s'agit d'auto-assemblage de complexes, machinerie moléculaire haute performance pour l'absorption de la lumière, séparation d'excitons ou de charges et transfert d'électrons. Les nanotechnologues moléculaires rêvent depuis longtemps d'imiter des architectures biomoléculaires aussi extraordinaires et de les recâbler pour produire de l'électricité bon marché.

Aujourd'hui chercheurs des départements de physique et de chimie de l'Université technique de Munich (TUM), de l'Institut Max-Planck pour la recherche sur les polymères (Mayence, Allemagne) et l'Université de Strasbourg (France) ont modifié les molécules de colorant de manière à leur permettre de servir de blocs de construction de réseaux moléculaires auto-assemblés.

Sur les surfaces atomiquement plates d'un substrat de diamant recouvert de graphène, les molécules s'auto-assemblent dans l'architecture cible d'une manière semblable aux protéines et à la nanotechnologie de l'ADN. La seule force motrice provient des interactions supramoléculaires conçues via des liaisons hydrogène. Comme prévu, le réseau moléculaire produit un photocourant lorsqu'il est exposé à la lumière.

De l'art à l'application

« Pendant longtemps, les architectures moléculaires auto-assemblées conçues ont été considérées comme artistiques, " dit PD Dr. Friedrich Esch, un auteur principal de l'étude. "Avec cette publication, nous présentons pour la première fois une mise en œuvre pratique sérieuse de cette technologie."

« Dans le photovoltaïque organique conventionnel, l'amélioration de l'ordre moléculaire reste un défi. En revanche, la boîte à outils des nanotechnologies nous offre la possibilité d'un agencement atomiquement précis des composants constitutifs a priori, " dit le Dr Carlos-Andres Palma, qui a co-supervisé l'étude. "La possibilité d'un contrôle physico-chimique complet des composants nous donne des vis de réglage supplémentaires pour l'optimisation fonctionnelle."

Les scientifiques espèrent maintenant étendre la configuration de l'appareil et certifier la réponse photovoltaïque dans des conditions standard. "Intercaler des colorants auto-assemblés entre des piles d'électrodes bidimensionnelles comme le graphène, ouvre la possibilité d'une mise à l'échelle facile vers des éléments monocouches photovoltaïques efficaces", affirme le Dr Palma « Cela mettra notre travail sur la carte de la technologie des cellules solaires ».

Correspondance parfaite de la chimie et de la physique de surface

Les scientifiques ont utilisé des molécules de terrylène-diimide comme colorants photoactifs. Le réseau se forme lorsque les molécules de terrylène allongées se lient à la mélamine trivalente. En choisissant des groupes latéraux adéquats pour le terrylene diimide, les auteurs de l'étude déterminent quelles architectures peuvent se former.

« Ce travail est un excellent exemple de la coopération interdisciplinaire que nous cherchons à initier avec l'institution du Centre de Recherche Catalyse :une parfaite adéquation entre la chimie et la physique, " dit le professeur Ulrich Heiz, directeur du Centre de recherche sur la catalyse TUM.