Imaginez un avenir dans lequel les cellules solaires sont tout autour de nous, sur les fenêtres et les murs, téléphones portables, ordinateurs portables, et plus. Un nouveau flexible, la cellule solaire transparente développée au MIT rapproche un peu plus cet avenir.

L'appareil combine des matériaux organiques (contenant du carbone) à faible coût avec des électrodes de graphène, une souplesse, matériau transparent fabriqué à partir de sources de carbone peu coûteuses et abondantes. Cette avancée dans la technologie solaire a été rendue possible par une nouvelle méthode de dépôt d'une couche de graphène d'une épaisseur d'un atome sur la cellule solaire, sans endommager les matériaux organiques sensibles à proximité. Jusqu'à maintenant, les développeurs de cellules solaires transparentes se sont généralement appuyés sur des électrodes fragiles qui ont tendance à se fissurer lorsque l'appareil est fléchi. La possibilité d'utiliser le graphène à la place rend possible vraiment flexible, à bas prix, des cellules solaires transparentes qui peuvent transformer pratiquement n'importe quelle surface en source d'énergie électrique.

Les cellules solaires photovoltaïques faites de composés organiques offriraient une variété d'avantages par rapport aux cellules solaires au silicium inorganique d'aujourd'hui. Ils seraient moins chers et plus faciles à fabriquer. Ils seraient légers et flexibles plutôt que lourds, rigide, et fragile, et serait donc plus facile à transporter, y compris dans les régions éloignées sans réseau électrique central. Et ils pourraient être transparents. De nombreux matériaux organiques absorbent les composants ultraviolets et infrarouges de la lumière solaire mais transmettent la partie visible que nos yeux peuvent détecter. Les cellules solaires organiques pourraient donc être montées sur des surfaces tout autour de nous et récolter de l'énergie sans que nous les remarquions.

Les chercheurs ont fait des progrès significatifs au cours de la dernière décennie vers le développement de cellules solaires organiques transparentes. Mais ils ont rencontré une pierre d'achoppement persistante :trouver des matériaux appropriés pour les électrodes qui transportent le courant hors de la cellule.

« Il est rare de trouver dans la nature des matériaux à la fois électriquement conducteurs et optiquement transparents, " déclare le professeur Jing Kong du Département de génie électrique et informatique (EECS).

L'option actuelle la plus largement utilisée est l'oxyde d'indium et d'étain (ITO). ITO est conducteur et transparent, mais c'est aussi raide et cassant, Ainsi, lorsque la cellule solaire organique se plie, l'électrode ITO a tendance à se fissurer et à se décoller. En outre, l'indium est cher et relativement rare.

Une alternative prometteuse à l'ITO est le graphène, une forme de carbone qui se présente dans des feuilles d'un atome d'épaisseur et qui possède des caractéristiques remarquables. C'est très conducteur, souple, robuste, et transparent; et il est fabriqué à partir de carbone peu coûteux et omniprésent. En outre, une électrode de graphène peut n'avoir qu'un nanomètre d'épaisseur, soit une fraction de l'épaisseur d'une électrode ITO et bien mieux adaptée à la mince cellule solaire organique elle-même.

Les défis du graphène

Deux problèmes clés ont ralenti l'adoption massive des électrodes en graphène. Le premier problème est de déposer les électrodes de graphène sur la cellule solaire. La plupart des cellules solaires sont construites sur des substrats tels que le verre ou le plastique. L'électrode de graphène inférieure est déposée directement sur ce substrat - une tâche qui peut être réalisée par des processus impliquant de l'eau, solvants, et de la chaleur. Les autres couches sont ensuite ajoutées, se terminant par l'électrode de graphène supérieure. Mais placer cette électrode supérieure sur la surface de la couche de transport de trous (HTL) est délicat.

"Le HTL se dissout dans l'eau, et les matières organiques juste en dessous sont sensibles à à peu près tout, y compris l'eau, solvants, et la chaleur, " déclare Yi Song, étudiante diplômée de l'EECS, membre de l'Eni-MIT Energy 2016-2017 et membre du groupe Nanomatériaux et électronique de Kong. Par conséquent, les chercheurs ont généralement persisté à utiliser une électrode ITO sur le dessus.

Le deuxième problème avec l'utilisation du graphène est que les deux électrodes doivent jouer des rôles différents. La facilité avec laquelle un matériau donné libère des électrons est une propriété d'ensemble appelée sa fonction de travail. Mais dans la cellule solaire, une seule des électrodes doit permettre aux électrons de s'écouler facilement. Par conséquent, avoir les deux électrodes en graphène nécessiterait de changer le travail de sortie de l'une d'entre elles afin que les électrons sachent dans quelle direction aller - et changer le travail de sortie de n'importe quel matériau n'est pas simple.

Un transfert de graphène en douceur

Depuis trois ans, Kong et Song ont travaillé pour résoudre ces problèmes. Ils ont d'abord développé et optimisé un procédé de pose de l'électrode inférieure sur leur substrat.

Dans ce processus, ils font pousser une feuille de graphène sur une feuille de cuivre. Ils la transfèrent ensuite sur le substrat en utilisant une technique démontrée par Kong et ses collègues en 2008. Ils déposent une couche de polymère sur la feuille de graphène pour la soutenir, puis utilisent une solution acide pour graver la feuille de cuivre au dos, se retrouvent avec un empilement de graphène-polymère qu'ils transfèrent à l'eau pour le rinçage. Ils ramassent ensuite simplement la pile flottante de graphène-polymère avec le substrat et retirent la couche de polymère à l'aide de chaleur ou d'un rinçage à l'acétone. Le résultat :une électrode de graphène posée sur le substrat.

Mais retirer l'électrode supérieure de l'eau n'est pas faisable. Ils ont donc plutôt transformé la pile flottante de graphène-polymère en une sorte de tampon, en appuyant dessus un cadre en caoutchouc silicone d'un demi-millimètre d'épaisseur. Saisir le cadre avec une pince à épiler, ils soulèvent la pile, séchez-le, et posez-le sur le HTL. Puis, avec un minimum de réchauffement, ils peuvent décoller le tampon en caoutchouc de silicone et la couche de support en polymère, laissant le graphène déposé sur le HTL.

Initialement, les électrodes que Song et Kong ont fabriquées à l'aide de ce processus n'ont pas bien fonctionné. Les tests ont montré que la couche de graphène n'adhérait pas étroitement au HTL, le courant ne pouvait donc pas s'écouler efficacement. Les solutions évidentes à ce problème ne fonctionneraient pas. Chauffer suffisamment la structure pour faire adhérer le graphène endommagerait les matières organiques sensibles. Et mettre une sorte de colle sur le fond du graphène avant de le déposer sur le HTL collerait les deux couches ensemble, mais finirait comme une couche supplémentaire entre eux, diminuant plutôt qu'augmentant le contact interfacial.

Song a décidé que l'ajout de colle au tampon pourrait être la solution, mais pas en tant que couche sous le graphène.

"Nous pensions, que se passe-t-il si nous pulvérisons ce très doux, polymère collant sur le graphène ?" dit-il. "Il ne serait pas en contact direct avec la couche de transport de trous, mais parce que le graphène est si fin, peut-être que ses propriétés adhésives pourraient rester intactes à travers le graphène. »

Pour tester l'idée, les chercheurs ont incorporé une couche d'éthylène-acétate de vinyle, ou EVA, dans leur cachet, juste au-dessus du graphène. La couche EVA est très flexible et mince, un peu comme un emballage alimentaire, et peut facilement se déchirer. Mais ils ont découvert que la couche de polymère qui vient ensuite le maintient ensemble, et l'arrangement a fonctionné exactement comme Song l'avait espéré :le film EVA adhère étroitement au HTL, se conformer à toutes les caractéristiques microscopiques rugueuses de la surface et forcer la fine couche de graphène en dessous à faire de même.

Le processus a non seulement amélioré les performances, mais a également apporté un avantage secondaire inattendu. Les chercheurs pensaient que leur prochaine tâche serait de trouver un moyen de modifier la fonction de travail de l'électrode de graphène supérieure afin qu'elle diffère de celle du bas, assurant un flux d'électrons régulier. Mais cette étape n'était pas nécessaire. Leur technique pour déposer le graphène sur le HTL modifie en fait la fonction de travail de l'électrode pour qu'elle corresponde exactement à ce dont ils ont besoin.

"Nous avons eu de la chance, ", dit Song. "Nos électrodes supérieure et inférieure ont les bonnes fonctions de travail en raison des processus que nous utilisons pour les fabriquer."

Mettre les électrodes à l'épreuve

Pour voir à quel point leurs électrodes de graphène fonctionneraient dans la pratique, les chercheurs devaient les incorporer dans des cellules solaires organiques fonctionnelles. Pour cette tâche, ils se sont tournés vers les installations de fabrication et d'essai de cellules solaires de leur collègue Vladimir Bulović, le Fariborz Maseeh (1990) professeur de technologies émergentes et doyen associé pour l'innovation à la School of Engineering.

En comparaison, ils ont construit une série de cellules solaires sur des substrats de verre rigides avec des électrodes en graphène, ITO, et l'aluminium (un matériau d'électrode standard). Les densités de courant (ou CD, la quantité de courant circulant par unité de surface) et les rendements de conversion de puissance (ou PCE, la fraction de l'énergie solaire entrante convertie en électricité) pour les nouveaux dispositifs flexibles en graphène/graphène et les dispositifs ITO/graphène rigides standard étaient comparables. Ils étaient inférieurs à ceux des appareils à une électrode en aluminium, mais c'était une découverte à laquelle ils s'attendaient.

"Une électrode en aluminium sur le fond reflétera une partie de la lumière entrante dans la cellule solaire, Ainsi, l'ensemble de l'appareil peut absorber plus d'énergie solaire qu'un appareil transparent, " dit Kong.

Les PCE pour tous leurs dispositifs au graphène/graphène, sur des substrats de verre rigides ainsi que des substrats flexibles, allaient de 2,8 % à 4,1 %. Bien que ces valeurs soient bien inférieures aux PCE des panneaux solaires commerciaux existants, ils représentent une amélioration significative par rapport aux PCE obtenus dans des travaux antérieurs impliquant des dispositifs semi-transparents avec des électrodes entièrement en graphène, disent les chercheurs.

Les mesures de la transparence de leurs dispositifs graphène/graphène ont donné d'autres résultats encourageants. L'œil humain peut détecter la lumière à des longueurs d'onde comprises entre environ 400 nanomètres et 700 nanomètres. Les dispositifs entièrement en graphène ont montré une transmittance optique de 61 % sur l'ensemble du régime visible et jusqu'à 69 % à 550 nanomètres. "Ces valeurs [pour la transmission] sont parmi les plus élevées pour les cellules solaires transparentes avec des rendements de conversion de puissance comparables dans la littérature, " dit Kong.

Substrats souples, comportement de flexion

Les chercheurs constatent que leur cellule solaire organique peut être déposée sur n'importe quel type de surface, rigide ou souple, transparent ou non. "Si vous voulez le mettre sur la surface de votre voiture, par exemple, ça n'aura pas l'air mal, " dit Kong. " Vous serez capable de voir à travers ce qui était à l'origine là. "

Pour démontrer cette polyvalence, ils ont déposé leurs dispositifs graphène-graphène sur des substrats flexibles dont du plastique, papier opaque, et du ruban Kapton translucide. Les mesures montrent que les performances des appareils sont à peu près égales sur les trois substrats flexibles et seulement légèrement inférieures à celles réalisées sur du verre, probablement parce que les surfaces sont plus rugueuses, il y a donc un plus grand potentiel de mauvais contact.

La capacité de déposer la cellule solaire sur n'importe quelle surface la rend prometteuse pour une utilisation dans l'électronique grand public, un domaine qui se développe rapidement dans le monde entier. Par exemple, les cellules solaires pourraient être fabriquées directement sur les téléphones portables et les ordinateurs portables plutôt que fabriquées séparément puis installées, un changement qui réduirait considérablement les coûts de fabrication.

Ils seraient également bien adaptés aux futurs appareils tels que les cellules solaires pelables et adhésives et l'électronique en papier. Étant donné que ces appareils seraient inévitablement pliés et pliés, les chercheurs ont soumis leurs échantillons au même traitement. Alors que tous leurs appareils, y compris ceux avec des électrodes ITO, pouvaient être pliés à plusieurs reprises, ceux avec des électrodes de graphène pourraient être pliés beaucoup plus étroitement avant que leur production ne commence à décliner.

Objectifs futurs

Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer l'efficacité de leurs cellules solaires organiques à base de graphène sans sacrifier la transparence. (Augmenter la quantité de zone active augmenterait le PCE, mais la transparence chuterait.) Selon leurs calculs, le PCE théorique maximum réalisable à leur niveau actuel de transparence est de 10 pour cent.

"Notre meilleur PCE est d'environ 4%, donc nous avons encore du chemin à parcourir, " dit Song.

Ils réfléchissent également à la meilleure façon d'étendre leurs cellules solaires aux dispositifs de grande surface nécessaires pour couvrir des fenêtres et des murs entiers, où ils pourraient générer efficacement de l'énergie tout en restant pratiquement invisibles à l'œil humain.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.