Une nouvelle étude des chercheurs de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign décrit une percée dans le domaine des cellules solaires organiques (OSC), rapprochant la technologie de la viabilité commerciale.
Les OSC sont une technologie convaincante qui peut transformer n'importe quelle surface en générateur d'alimentation. Leurs propriétés légères, transparentes et pliables les rendent idéales pour de nombreuses applications où les cellules solaires de silicium traditionnelles sont peu pratiques: pensez aux sacs à dos et aux tentes équipées d'OSC qui peuvent générer du pouvoir sur la demande sur le terrain, ou des fenêtres qui transforment la lumière du soleil en électricité grâce à des cellules solaires qui sont invisibles à l'œil nu.
Mais alors que les OSC offrent de nombreux avantages par rapport aux cellules solaires en silicium et fonctionnent bien en laboratoire, elles restent non idéales pour une utilisation réelle car leur efficacité et leur stabilité baissent considérablement pendant le processus de fabrication.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs – dirigés par le professeur d'ingénierie chimique et biomoléculaire Ying Dioo – ont zéré sur le processus d'assemblage moléculaire pendant la fabrication. Un OSC est composé de plusieurs couches de films minces nanométriques. En manipulant les conditions de traitement lors de l'impression des films, ils peuvent forcer les molécules à adopter des structures différentes, a déclaré Alec Damron, co-premier auteur sur l'article publié dans Matériaux avancés.
« L'encre s'évapore pendant que nous imprimons, donc – en détendant à quelle vitesse nous nous imprimons et à la lenteur de l'évaporation – nous pouvons verrouiller l'assemblage en différentes étapes », a déclaré Damron. « Ce que nous avons vu dans cet article, c'est que lorsque vous imprimez nos films lentement, par opposition rapidement, cela permet à la partie d'évaporation de la physique de dominer et il obligera les polymères à s'assembler en cristaux liquides avant qu'un film ne forme. »
Cette découverte était importante car les structures cristallines liquides ont entraîné une meilleure stabilité et efficacité OSC par rapport aux cellules fabriquées en utilisant des voies d'agrégation aléatoires. Une manipulation supplémentaire au cours du processus a entraîné des voies d'assemblage des cristaux liquides qui étaient soithiral ou chiral. Les deux ont entraîné une amélioration claire de l'efficacité et de la stabilité de l'OSC, mais la structure chirale ou hélicoïdale a donné les meilleurs résultats.
« Nous avons découvert que l'assemblage chiral de polymères donneurs conjugués améliore l'emballage cristallin et la structure séparée par la phase du film », a déclaré Azzaya Khasbaatar, l'autre co-premier auteur du journal. « L'amélioration de la cristallinité du film améliore non seulement l'efficacité en améliorant le transport de charges, mais rend également les films beaucoup plus morphologiquement robustes / stables. »
Dans l'ensemble, les chercheurs ont démontré que les voies cristallines liquides achirales montrent une amélioration de 20% de l'efficacité et une amélioration triple de la stabilité par rapport aux assemblages d'agrégation aléatoire. Lorsqu'il est imprimé avec une structure hélicoïdale, ce nombre a augmenté à 56% d'efficacité plus élevée et 50 fois plus stable. Ces chiffres sont prometteurs pour une fabrication réussie.
« Cette tendance que nous avons vue dans des performances améliorées à travers la phase cristalline liquide par rapport à l'agrégation aléatoire des fibres est générale et peut être appliquée à divers types de matériaux de cellules solaires organiques », a déclaré Damron. « Depuis que cette relation a été établie, il est possible de commencer à partir de cela comme référence et de continuer à s'accumuler du côté ingénieur des choses. »
Avant leur travail, Diao a dit que très peu de choses étaient connues sur ce qui se passait entre le moment où vous appliquez l'encre à un substrat et lorsque vous imprimez l'appareil, l'appelant une « boîte noire ».
« Les gens se concentrent principalement sur le côté matériel, puis sur le côté de l'appareil, mais le milieu est négligé », a déclaré Diao. « Et c'est quelque chose sur lequel nous avons essentiellement fait la lumière. Nous soulevons le rideau sur le processus caché et, ce faisant, nous fournissons des voies pour créer de meilleurs appareils. »
