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Vers le photovoltaïque "tout plastique"

Les cellules photovoltaïques organiques sont une alternative aux cellules classiques à base de silicium. Elles présentent l’avantage de nécessiter des processus de fabrication plus doux, à partir, par exemple, de véritables encres électroniques, ce qui permet ainsi d’envisager des cellules solaires sur toutes sortes de supports comme, par exemple, des supports flexibles. La couche active de ce genre de cellule est toujours constituée d’un mélange de deux matériaux : un matériau donneur d’électrons comme le poly(3-hexylthiophène) (P3HT), et un matériau accepteur, par exemple un dérivé du fullerène (forme allotropique du carbone comme le graphite qui constitue les mines de crayon à papier). De telles cellules permettent d’obtenir des rendements supérieurs à 3 %, mais seulement après une étape de recuit thermique à des températures supérieures à 120°C. Une application sur substrat plastique (flexible) rend donc difficile ce genre de traitement thermique et limite ainsi les rendements photovoltaïques de ce système.

Parmi les défis que se sont fixés les chercheurs pour améliorer les rendements de ces cellules solaires organiques : l'optimisation de la morphologie du mélange dans la couche active dès l’étape de dépôt. Ils viennent ainsi de mettre au point un additif, véritable agent nano-structurant du mélange, par une méthode de synthèse propre et facile à mettre en œuvre à l'échelle industrielle (travail réalisé en partenariat avec la société Arkema). Il s’agit d’un copolymère à blocs, le poly(3-hexylthiophene-bloc-4-vinylpyridine) (P3HT-b-P4VP), comportant deux séquences ayant chacune une affinité préférentielle pour un des deux composants du mélange (à savoir le P3HT et le dérivé du fullerène, le PCBM, respectivement).

Lorsqu’une petite quantité de ce copolymère, entre 1 % et 10 % en masse, est ajoutée au mélange de la couche active, une augmentation significative du rendement de conversion photovoltaïque est observée par rapport au mélange initial. On peut noter une évolution du rendement photovoltaïque de 2,75 % jusqu’à presque 4,5 % en présence du copolymère, après recuit de la cellule.

Le résultat le plus frappant concerne les cellules obtenues sans aucun recuit, étape toujours délicate dans le cas de dépôt sur des polymères qui supportent souvent mal les hautes températures. L’ajout du copolymère permet d’obtenir directement un rendement supérieur à 3 %, supérieur à celui de la cellule sans copolymère après traitement thermique. Les analyses morphologiques et spectroscopiques réalisées mettent en évidence le rôle du caractère structurant de cet additif copolymère dans ces propriétés nouvelles.

Les résultats de cette étude permettent d’envisager l’élaboration de cellules solaires organiques sur substrat flexible grande surface, mettant en œuvre des procédés de fabrications rapides, sans traitement thermique, tout en préservant, voire en améliorant leur efficacité.

CNRS

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