Les cellules solaires en polymère sont des panneaux solaires légers et flexibles qui peuvent être utilisés pour les appareils portables. Cependant, les solvants de traitement halogénés toxiques utilisés lors de la fabrication de ces cellules solaires ont limité leur adoption généralisée.
Les alternatives aux solvants de traitement halogénés ne sont pas aussi solubles, nécessitant ainsi des températures plus élevées et des temps de traitement plus longs. Trouver un moyen de supprimer le besoin de solvants de traitement halogénés pourrait améliorer l'efficacité des cellules solaires organiques et faire des cellules solaires polymères une option viable pour les appareils portables.
Dans un article publié dans Nano Research Energy Le 24 juillet, des chercheurs expliquent comment l'amélioration des interactions moléculaires entre les donneurs de polymères et les accepteurs de petites molécules grâce à l'ingénierie des chaînes latérales peut réduire le besoin de solvants de traitement halogénés.
"La morphologie du mélange des donneurs de polymères et des accepteurs de petites molécules est fortement affectée par leurs interactions moléculaires, qui peuvent être déterminées par les énergies interfaciales entre les matériaux donneurs et accepteurs. Lorsque leurs valeurs de tension superficielle sont similaires, les énergies interfaciales et les interactions moléculaires entre les donneurs et les accepteurs. on s'attend à ce que les accepteurs soient plus favorables", a déclaré Yun-Hi Kim, professeur à l'Université nationale de Gyeongsang à Jinju, en République de Corée.
"Pour améliorer l'hydrophilie des donneurs de polymères et réduire la démixtion moléculaire, l'ingénierie des chaînes latérales peut être une voie plausible."
L’ingénierie des chaînes latérales consiste à ajouter un groupe chimique, appelé chaîne latérale, à la chaîne principale d’une molécule. Les groupes chimiques de la chaîne latérale affectent les propriétés de la plus grosse molécule.
Les chercheurs ont émis l’hypothèse que l’ajout de chaînes latérales à base d’oligoéthylène glycol (OEG) améliorerait l’hydrophilie des donneurs de polymère grâce aux atomes d’oxygène présents dans les chaînes latérales. Une molécule hydrophile est attirée par l’eau. Les différences dans l'hydrophilie des donneurs de polymères et des accepteurs de petites molécules peuvent avoir un impact sur la façon dont ils interagissent.
Grâce à une hydrophilie accrue des donneurs de polymère et à des interactions améliorées entre eux et les accepteurs de petites molécules, des solvants de traitement non halogénés peuvent être utilisés sans sacrifier les performances de la cellule solaire. En fait, les cellules solaires polymères fabriquées avec des chaînes latérales à base d'OEG attachées à un donneur de polymère à base de benzodithiophène présentaient un rendement de conversion de puissance plus élevé, soit 17,7 % contre 15,6 %.
Afin de comparer les résultats, les chercheurs ont conçu des donneurs de polymères à base de benzodithiophène avec soit une chaîne latérale OEG, des chaînes latérales d'hydrocarbures ou des chaînes latérales composées à 50 % d'hydrocarbures et à 50 % d'OEG.
"Cela a élucidé l'effet de l'ingénierie des chaînes latérales sur la morphologie du mélange et les performances des cellules solaires polymères traitées au solvant non halogéné", a déclaré Kim. "Nos résultats démontrent que les polymères dotés de chaînes latérales OEG hydrophiles peuvent améliorer la miscibilité avec les accepteurs de petites molécules et améliorer l'efficacité de conversion d'énergie et la stabilité du dispositif des cellules solaires polymères pendant le traitement non halogéné."
En plus d'une efficacité de conversion d'énergie améliorée, les cellules solaires polymères dotées de chaînes latérales à base d'OEG présentaient une stabilité thermique améliorée. La stabilité thermique est essentielle pour la mise à l'échelle des cellules solaires polymères, c'est pourquoi les chercheurs les ont chauffées à 120° Celsius puis ont comparé l'efficacité de la conversion d'énergie. Après 120 heures de chauffage, les polymères avec les chaînes latérales d'hydrocarbures n'avaient que 60 % de leur efficacité de conversion de puissance initiale et présentaient des irrégularités à leur surface, tandis que le mélange d'hydrocarbures et d'OEG conservait 84 % de son efficacité de conversion de puissance initiale.
"Nos résultats peuvent fournir des lignes directrices utiles pour concevoir des donneurs de polymères qui produisent des cellules solaires en polymères efficaces et stables en utilisant un traitement par solvant non halogéné", a déclaré Kim.
Parmi les autres contributeurs figurent Soodeok Seo, Jin Su Park et Bumjoon J. Kim de l'Institut avancé des sciences et technologies de Corée; Jun-Young Park et Do-Yeong Choi de l'Université nationale de Gyeongsang; et Seungjin Lee de l'Institut coréen de recherche en technologie chimique.
Plus d'informations : Soodeok Seo et al, Donateurs de polymères avec chaînes latérales hydrophiles permettant des cellules solaires polymères efficaces et thermiquement stables par traitement par solvant non halogéné, Nano Research Energy (2023). DOI :10.26599/NRE.2022.9120088
Fourni par Tsinghua University Press
