Pour toutes les promesses qu'ils ont montrées dans le laboratoire, les cellules solaires polymères doivent encore "se mettre en route" comme celles utilisées dans l'impression de journaux afin que de grandes feuilles de dispositifs photovoltaïques d'une efficacité acceptable puissent être fabriquées en continu et de manière économique. Les cellules solaires polymères offrent de nombreux avantages par rapport à leurs homologues traditionnels à base de silicium, y compris à moindre coût, une empreinte carbone potentiellement plus faible et une plus grande variété d'utilisations.

De nouveaux résultats de recherche rapportés par une équipe internationale dirigée par le National Institute of Standards and Technology (NIST) indiquent que le « sweet spot » pour les cellules solaires en polymère produites en masse – une perspective alléchante pendant des décennies – pourrait être bien plus vaste que ne le dictent les normes conventionnelles. sagesse. Dans des expériences utilisant une maquette d'un grand volume, méthode de traitement rouleau à rouleau, les chercheurs ont produit des cellules solaires à base de polymère avec un « rendement de conversion de puissance » supérieur à 9,5 %, juste en deçà de l'objectif commercial minimum de 10 pour cent.

C'est presque aussi bon que les appareils en petits lots fabriqués en laboratoire avec revêtement par centrifugation, une méthode qui produit des films de haute qualité en laboratoire mais qui est commercialement peu pratique car elle gaspille jusqu'à 90 pour cent de l'encre initiale.

Quelque peu surprenant pour les chercheurs, leurs versions produites en série présentaient un emballage moléculaire et une texture qui ne ressemblaient que légèrement à celles des variétés fabriquées en laboratoire, qui, au mieux, convertissent environ 11 pour cent de la lumière solaire incidente en énergie électrique.

« La règle d'or est que les cellules solaires en polymère à haut volume doivent ressembler à celles fabriquées en laboratoire en termes de structure, organisation et forme à l'échelle nanométrique, " a déclaré Lee Richter, un physicien du NIST qui travaille sur les polymères fonctionnels. "Nos expériences indiquent que les exigences sont beaucoup plus flexibles qu'on ne le pense, permettant une plus grande variabilité structurelle sans sacrifier de manière significative l'efficacité de conversion."

"Une fabrication roll-to-roll efficace est la clé pour atteindre le faible coût, une production à haut volume qui permettrait au photovoltaïque de s'adapter à une fraction significative de la production énergétique mondiale, " a expliqué He Yan, un collaborateur de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong.

L'équipe a expérimenté un matériau de revêtement composé d'un polymère fluoré et d'un fullerène (également connu sous le nom de « buckyball »). Sous le nom technique PffBT4T-2OD, le polymère est attrayant pour la production à grande échelle, atteignant une efficacité de conversion de puissance rapportée de plus de 11 %. Surtout, il peut être appliqué en couches relativement épaisses, propices au traitement rouleau à rouleau.

Cependant, les cellules solaires les plus performantes ont été produites avec le procédé de revêtement par centrifugation, un processus en petits lots. En revêtement par centrifugation, le fluide est distribué au centre d'un disque ou autre substrat, qui tourne pour étaler le matériau jusqu'à ce que l'épaisseur de revêtement souhaitée soit atteinte. En plus de générer beaucoup de déchets, le processus est fragmentaire plutôt que continu et la taille du substrat est limitée.

L'équipe de recherche a donc choisi de tester des méthodes de revêtement commercialement pertinentes, d'autant plus que PffBT4T-2OD peut être appliqué en couches relativement épaisses de 250 nanomètres et plus, ou à peu près la taille d'un gros virus. Ils ont commencé par le revêtement de la lame, ce qui revient à tenir un couteau à une fraction de la largeur d'un cheveu au-dessus d'un substrat de verre traité pendant qu'il glisse, peindre le PffBT4T-2OD sur le substrat.

Une série de mesures basées sur les rayons X a révélé que la température à laquelle le PffBT4T-2OD a été appliqué et séché a considérablement influencé la structure du matériau du revêtement résultant, en particulier l'orientation, l'espacement et la distribution des cristaux qui se sont formés.

Les substrats revêtus de lame à 90 degrés Celsius (194 degrés F) étaient les plus performants, atteindre des rendements de conversion de puissance supérieurs à 9,5 pour cent. Étonnamment, au niveau du nanomètre, les produits finaux différaient considérablement des dispositifs "champion" revêtus par centrifugation fabriqués en laboratoire. Des mesures détaillées en temps réel pendant le revêtement par centrifugation et le revêtement par centrifugation ont révélé que les différentes structures provenaient du refroidissement rapide pendant le revêtement par centrifugation par rapport à la température constante pendant le revêtement par centrifugation.

"Les mesures en temps réel étaient essentielles pour développer une bonne compréhension de la cinétique de formation du film et de l'optimisation ultime, " dit Aram Amassian, un collaborateur de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah d'Arabie saoudite.

Encouragé par les résultats, l'équipe a effectué des mesures préliminaires du revêtement PffBT4T-2OD formé à la surface d'une feuille de plastique souple. Le revêtement a été appliqué sur la ligne de revêtement rouleau à rouleau du NIST, imitant directement la production à grande échelle. Les mesures ont confirmé que les structures de matériaux réalisées avec un revêtement de lame et celles réalisées avec un revêtement de matrice à fente étaient presque identiques lorsqu'elles étaient traitées aux mêmes températures.

"Il est clair que le type de méthode de traitement utilisé influence la forme des domaines et leur distribution de taille dans le revêtement final, mais ces morphologies nettement différentes ne nuisent pas forcément aux performances, " dit Harald Ade, un collaborateur de la North Carolina State University. "Nous pensons que ces résultats fournissent des indices importants pour la conception de cellules solaires polymères optimisées pour le traitement rouleau à rouleau."