Performances de l’appareil. Crédit : Énergie naturelle (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01564-0
Les cellules solaires organiques à base de composés connus sous le nom de donneurs de polymères et d’accepteurs d’électrons à anneau fusionné (FREA) ont récemment atteint un rendement supérieur à 19 %. En revanche, les cellules solaires organiques à base d’accepteurs d’électrons à anneau non fusionné (NFREA), des composés plus abordables caractérisés par des anneaux aromatiques non fusionnés (c’est-à-dire séparés), ont jusqu’à présent affiché des rendements décevants d’environ 16 %.
La synthèse des NFREA étant nettement moins coûteuse que celle des FREA, le développement de cellules solaires plus efficaces à partir de ces matériaux pourrait avoir des implications importantes. Plus précisément, cela pourrait faciliter l’adoption généralisée des cellules solaires organiques, contribuant ainsi potentiellement à la réduction des émissions et à l’atténuation des problèmes environnementaux.
Des chercheurs de l’Université Jiao Tong de Shanghai, de l’Université de Qingdao et d’autres instituts en Chine ont récemment proposé une nouvelle approche pour fabriquer des cellules solaires organiques plus efficaces basées sur les NFRA. Cette approche, décrite dans un article publié dans Énergie naturellerepose sur l’utilisation d’un solvant à base de chloroforme (CF) et d’o-xylène (OXY), ainsi que d’un additif à l’état solide qui améliore encore la cristallisation dans les NFRA, permettant ainsi des PCE plus élevés dans les cellules solaires à base de ces composés.
« Les accepteurs d’électrons non fusionnés (NFREA) ont potentiellement des coûts de synthèse inférieurs à ceux de leurs homologues fusionnés », ont écrit Rui Zeng, Ming Zhang et leurs collègues dans leur article. « Cependant, la faible planéité du squelette et la présence de substituants volumineux affectent négativement la cristallinité des NFREA, empêchant le transport de charge et la formation d’une morphologie bicontinue dans les cellules solaires organiques. Nous montrons qu’un système de solvant binaire peut contrôler individuellement la cristallisation et la séparation de phase du polymère donneur (par exemple, D18) et du NFREA (par exemple, 2BTh-2F-C)2).”
Matériaux et sélection des solvants. a, Les structures chimiques du D18, du 2BTh-2F-C2 et des solvants pertinents. Les solvants à faible volatilité et à faible solubilité pour le donneur de polymère sont encadrés par un cadre bleu ; les solvants à forte volatilité et à faible solubilité pour le donneur de polymère sont encadrés par un cadre violet ; les solvants à faible volatilité et à haute solubilité pour le donneur de polymère sont encadrés par un cadre vert ; les solvants à forte volatilité et à haute solubilité pour le donneur de polymère sont encadrés par un cadre bleu-violet. b, La solubilité du D18 dans divers solvants dans le diagramme δv–δh (δh, interactions de liaison hydrogène moléculaire ; δv, δV = √δ2 D + δ2 P ). c, Absorption normalisée du D18 dans divers solvants. Le rectangle bleu représente le pic d’absorption du D18 dans de bons solvants ; le rectangle violet représente le pic d’absorption du D18 dans de mauvais solvants. d, Diagramme de classification des solvants basé sur la pression de vapeur et la solubilité. Les bons solvants présentent un indice RED inférieur à 1, qui se situe à l’intérieur de la sphère de solubilité ; les mauvais solvants ont un indice RED supérieur à 1, et plus le nombre RED est élevé, plus la solubilité est mauvaise. e, Pression de vapeur en fonction de la fraction volumique dans le solvant binaire de CF&OXY. La ligne verticale continue représente la fraction volumique de 12 % d’OXY dans le mélange de solvants, la ligne horizontale en pointillés supérieure représente la pression de vapeur de CF dans un mélange de solvants à 12 % d’OXY pour 142,26 torr, et la ligne horizontale en pointillés inférieure représente la pression de vapeur d’OXY dans un mélange de solvants à 12 % d’OXY pour 0,41 torr. Lorsque l’OXY occupe la majorité du mélange de solvants, la pression de vapeur de CF et d’OXY est toutes deux de 4,88 torr avec le même taux d’évaporation. f–h, Cartes de contours en fonction du temps des spectres d’absorption UV–vis in situ pour les solutions précurseurs du mélange D18:2BTh-2F-C2 dans les conditions CF (f), OXY (g) et CF&OXY (h). Les lignes pointillées et le cadre pointillé représentent le temps de changement spectral pour D18 et 2BTh-2F-C2 de la solution précurseur du mélange à base de CF, OXY et CF&OXY dans le processus de formation de film. Crédit : Zeng et al. (Énergie naturelle2024).
Dans le cadre de leur étude, Zeng, Zhang et leurs collaborateurs ont d’abord conçu et synthétisé un mélange de composés contenant du CF et de l’OXY. Ils ont ensuite observé comment un polymère donneur et du NFREA réagissaient à ce mélange de solvants, en se concentrant spécifiquement sur la formation de films sur ces composés.
« Nous avons sélectionné des solvants tels que CF et OXY qui s’évaporent à des températures et des vitesses différentes et qui ont une solubilité différente pour le polymère donneur D18 », ont écrit les chercheurs. « Lors de l’évaporation du chloroforme, le D18 commence à s’assembler en fibrilles. Ensuite, l’évaporation de l’o-xylène induit la formation rapide d’un réseau de fibrilles qui sépare en phases le 2BTh-2F-C2 en domaines purs et conduit à une morphologie bicontinue.”
Les chercheurs ont également introduit dans leur échantillon un additif à l’état solide, à savoir le 1,4-diiodobenzène (DIB). Cet additif a été placé dans le film mince photoactif formé, alors qu’il était presque sec, pour améliorer encore la cristallisation du NFREA.
Les chercheurs ont utilisé leur approche pour développer de nouvelles cellules solaires basées sur les NFREA, qu’ils ont ensuite évaluées dans une série de tests initiaux. Fait remarquable, ils ont découvert que la morphologie permise par leur solvant et leur additif permettait d’obtenir des PCE de 19,02 % pour les petites surfaces (0,052 cm2) cellules et 17,28 % pour 1 cm2 dispositifs.
Cette étude récente ouvre de nouvelles possibilités pour la fabrication de cellules solaires organiques à base de NFREA, qui pourraient être nettement moins coûteuses que leurs homologues à base de FREA. Les résultats prometteurs recueillis par cette équipe de recherche pourraient bientôt inspirer de nouveaux efforts dans cette direction, contribuant potentiellement à la future commercialisation de cellules solaires organiques.
Plus d’information:
Rui Zeng et al., Obtention d’une efficacité de 19 % dans les cellules solaires acceptrices d’électrons à anneau non fusionné via le contrôle de la solubilité de la cristallisation du donneur et de l’accepteur, Énergie naturelle (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01564-0
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Citation:Une nouvelle approche pour améliorer l’efficacité des cellules solaires acceptrices d’électrons à anneau non fusionné (2024, 12 juillet) récupéré le 12 juillet 2024 à partir de
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