La conception des cellules solaires fait un pas en avant grâce à une étude sur les matériaux cristallins organiques
Bien que des progrès impressionnants aient été accomplis au niveau des systèmes photovoltaïques organiques, contrôler leur structure à l’échelle nanométrique s’est avéré problématique. Parvenir à développer des systèmes modèles avec des réseaux cristallins dont la périodicité est bien définie et où les phases donneuses et réceptrices d’électrons s’interpénètrent constituerait un grand pas en avant. Le projet ECOF (Electroactive Donor-Acceptor Covalent Organic Frameworks), financé par l’UE, a relevé ce défi en créant des systèmes modèles avec un haut niveau de définition, afin de mieux comprendre les relations entre les paramètres électroniques et structurels ainsi que la dynamique des porteurs de charges induites par la lumière qui en résulte. Les chercheurs ont basé leurs travaux sur les ossatures organiques covalentes (COF), une classe de matériaux cristallins organiques extrêmement poreux récemment découverte, dont la cohésion des «blocs de construction moléculaires» est assurée par des liaisons covalentes. «Ces polymères, qui peuvent prendre la forme d’une couche bidimensionnelle ou être de nature purement tridimensionnelle, promettent un meilleur contrôle de leur structure et une meilleure compréhension de leurs propriétés physiques», déclare Thomas Bein, coordinateur du projet. Pour mener à bien ce projet interdisciplinaire unique en son genre, il a fallu effectuer une synthèse organique de haut niveau en faisant appel à des techniques avancées en nanosciences et en procédant à une caractérisation physique poussée. «Être capable d’assembler des architectures COF aux échelles nanométrique et microscopique est d’une importance cruciale pour obtenir de nouvelles fonctionnalités», explique Thomas Bein.
Un niveau d’organisation très élevé
Les partenaires du projet ont mis au point des COF permettant de former des phases semi-conductrices, notamment des phases interpénétrantes possédant des propriétés de donneur et d’accepteur d’électrons. «Au bout du compte, ces nouvelles ossatures peuvent jouer le rôle d’un ensemble d’hétérojonctions périodiques, comprenant des matériaux donneurs et accepteurs mélangés dans tout le dispositif, capables de récolter la lumière, de générer des excitons et de séparer ces derniers sous forme de charges collectées au niveau des électrodes ou converties en liaisons chimiques», note Thomas Bein. De plus, le fait que ces systèmes soient extrêmement structurés permet également de comprendre la dynamique des porteurs de charge de manière approfondie, et donne aux scientifiques la possibilité de créer des cellules solaires plus efficaces ainsi que d’autres dispositifs optoélectroniques. En collaborant avec des spécialistes en chimie organique, l’équipe a mis au point des COF comportant différentes parties faisant office de donneurs et d’accepteurs d’électrons hétéro-aromatiques. Cela a permis de fabriquer des réseaux interpénétrants avec un niveau élevé de structuration pour séparer les charges induites par la lumière. Pour atteindre les objectifs ambitieux du projet, les chercheurs d’ECOF ont commencé par synthétiser des blocs de construction moléculaires multifonctionnels afin de créer des COF extrêmement cristallins. Ils ont également mis au point des stratégies de croissance de couches minces, notamment la pose de films orientés sur des substrats conducteurs, la construction de certains dispositifs et la caractérisation détaillée du comportement optoélectronique et dynamique des nouveaux systèmes.
Un aperçu des microstructures créées
Une étude détaillée du mécanisme a mis en évidence l’évolution temporelle des agglomérats, initialement semblables à des feuilles avant de se transformer en microstructures tubulaires. Thomas Bein commente: «Étonnamment, le COF obtenu présentait une agrégation spontanée en assemblages microtubulaires, les tubes externes et internes ayant un diamètre respectif d’environ 300 et 90 nm.» Pour modifier davantage les propriétés luminescentes des COF, il est également possible de greffer des fragments fluorescents sur les parois des systèmes COF fonctionnalisés. «Nous avons par exemple mis au point un nouveau COF à base d’acide terphényldiboronique qui présente des pores ouverts d’environ 4,1 nm», ajoute Thomas Bein. ECOF va ouvrir de nouvelles opportunités pour générer des modèles et des prévisions d’une grande précision en ce qui concerne les relations entre la structure spatiale et électronique des semi-conducteurs organiques et leur comportement optoélectronique. «Nous pensons que ces informations seront d’une importance capitale pour les futures conceptions de dispositifs efficaces basés sur des semi-conducteurs organiques, comme les cellules solaires organiques ou les diodes électroluminescentes organiques», conclut Thomas Bein.
Mots‑clés
ECOF, ossature organique covalente (COF), électron, donneur, accepteur, cristallin, cellule solaire, optoélectronique, fragments, semi-conducteur, hétérojonction, polymère, acide terphényl diboronique
