Les chercheurs ont réalisé des progrès significatifs dans la technologie des cellules solaires polymères en développant une méthode permettant d’améliorer les interactions moléculaires grâce à l’ingénierie des chaînes latérales. Cette approche élimine le besoin de solvants de traitement halogénés toxiques, améliorant ainsi l’efficacité et la stabilité des cellules. L’étude, qui met en évidence les avantages des chaînes latérales à base d’oligoéthylène glycol (OEG), marque une étape cruciale vers des cellules solaires plus respectueuses de l’environnement et plus efficaces, adaptées aux appareils portables. Crédit : Issues.fr
Les cellules solaires en polymère, connues pour leur légèreté et leur flexibilité, sont idéales pour les appareils portables. Cependant, leur utilisation plus large est entravée par les solvants halogénés toxiques nécessaires à leur production. Ces solvants présentent des risques environnementaux et sanitaires, limitant l’attrait de ces cellules solaires. Les solvants alternatifs, moins toxiques, n’ont malheureusement pas la même solubilité, ce qui nécessite des températures plus élevées et des temps de traitement plus longs.
Cette inefficacité entrave encore davantage l’adoption de cellules solaires polymères. Le développement d’une méthode visant à éliminer le besoin de solvants halogénés pourrait améliorer considérablement l’efficacité des cellules solaires organiques, les rendant ainsi plus adaptées à la technologie portable.
Dans un article récemment publié, les 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.
L’article a été récemment publié dans Énergie de recherche nano.
« La morphologie des mélanges 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 devraient être 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. »
Le rôle de l’ingénierie des chaînes latérales
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.
Un mélange d’hydrocarbures et d’oligoéthylèneglycol hydrophile (2EG) a obtenu de meilleurs résultats que le solvant standard lorsqu’il est utilisé dans la création de PSC, sur la base des performances globales et de la stabilité thermique. Crédit : Nano Research Energy, Tsinghua University Press
Les différences dans le caractère hydrophile 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 %.
Efficacité et stabilité améliorées
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 degrés Celsius puis comparé l’efficacité de la conversion de puissance. 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 leur 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.
L’Institut coréen d’évaluation et de planification énergétique et la Fondation nationale coréenne pour la recherche ont financé cette recherche.
