Mieux comprendre l'auto-assemblage moléculaire des cellules solaires organiques
Les cellules solaires organiques nous promettent non seulement, une alternative moins chère que la technologie dominante au silicium mais aussi une flexibilité d'application supérieure. Grâce à leur finesse, elles peuvent être utilisées sur de plus grandes surfaces et appliquées directement sur des matériaux de construction de différentes formes contrairement aux cellules solaires polymères classiques (CSP) qui sont limitées aux surfaces planes. L'étude des mérites relatifs de ces revêtements semi-conducteurs organiques représente cependant un défi expérimental pour les chercheurs, justement à cause de la minceur de leurs couches qui rendent les effets sur la performance, plus subtils et difficiles à mesurer. Le projet NEUTRONOPV, financé par l'UE a relevé ce défi de manière globale pour mieux comprendre la relation entre les conditions de traitement, la morphologie de la couche active et les performances de ces dispositifs dans les cellules photovoltaïques. Les partenaires du projet voulaient également développer plus particulièrement de nouvelles techniques de caractérisation plus exigeantes pour l'étude des cellules solaires. Les neutrons et la nanostructure Afin d'acquérir une compréhension systématique sur la façon dont les changements subtils de composition des films de cellules solaires génèrent des changements au niveau de leur efficacité, les partenaires du projet NEUTRONOPV ont élaboré toute une palette de mélanges de polymères semi-conducteurs. Les chercheurs ont ensuite adapté ces variations graduelles de composition sur une série de dispositifs de formes différentes pouvant ultérieurement être mesurés sur des critères comme la mobilité de charge ou la performance photovoltaïque. Ces films très minces (de moins d'un micron) ont été créés à la fois par une méthode de revêtement par centrifugation en laboratoire et par une méthode industrielle de revêtement par pulvérisation. Comme nous l'explique le professeur Richard Jones : « le processus par lequel nous les réalisons est très simple - comme la peinture d'un vernis sur une surface - mais ce qui se passe réellement pendant ce processus - ce que font les molécules - est par contre très complexe. Celles-ci se réarrangent pour former des structures nanométriques particulières, et c'est la nature de ces structures qui détermine l'efficacité de la future cellule photovoltaïque ». Pour mieux comprendre le processus d'auto-assemblage, l'équipe du projet s’est appuyé sur des techniques qui dirigent un faisceau de neutrons sur l'échantillon puis mesurent la diffusion de ces neutrons par les structures nanométriques de la couche observée. Comme le professeur Jones nous l'explique, « Bien que cette approche soit beaucoup plus puissante que les autres techniques car elle nous donne des résultats quantitatifs représentatifs de l'ensemble du film, elle est très difficile à mettre en œuvre sur des films très minces, l’effet individuel de chaque faisceau neutronique étant très faible ». Pour surmonter ce défi, Gabriel Bernado, chercheur titulaire d’une bourse pour ce projet, a mis au point une méthode d'empilement d'un grand nombre de films afin de multiplier l'effet observable. La stratégie basée sur le faisceau neutronique a également été complétée par des techniques de laboratoire plus conventionnelles. Vers une économie sobre en carbone On peut voir plusieurs avantages à cette approche de composition mixte. Elle offre la perspective d'une production plus durable, en apportant par exemple, des substituts aux solvants halogénés, dont il a été démontré qu'ils étaient dangereux pour la santé et l'environnement. Les cellules solaires organiques promettant par ailleurs, d'être moins chères, plus faciles à appliquer sur de grandes surfaces et beaucoup plus adaptées à des surfaces variables, elles seront probablement plus facilement adoptées par les acteurs du marché, soutenant par là même, les efforts de construction d'une économie sobre en carbone. Comme le souligne le professeur Jones : « Je suis passionné par le potentiel que l'auto-assemblage - dans lequel les molécules s'organisent selon des règles simples pour former des structures complexes - offre pour des appareils fonctionnels qui font des choses intéressantes et utiles, comme convertir la lumière en électricité. Je veux comprendre comment ces processus fonctionnent afin que nous puissions les exploiter au profit de toute la société ». Pour ce faire, l'équipe cherche aujourd’hui à appliquer ces techniques et méthodologies à divers systèmes comme par exemple, les hybrides semi-conducteurs organiques ou les nanoparticules semi-conductrices inorganiques.
Mots‑clés
Photovoltaïque organique, neutron, structure nanométrique, cellules solaires, économie sobre en carbone, revêtements semi-conducteurs, revêtement par centrifugation, revêtement par pulvérisation, auto-assemblage
