Optimiser la structure moléculaire d'un polymère pour augmenter son rendement photovoltaïque
Publié par Redbran le 04/09/2018 à 12:00
Source: CNRS-INSIS
Trois laboratoires du CNRS, l'ICPEES, l'IPCMS et ICube, ont montré comment le contrôle de la structure moléculaire d'un polymère semiconducteur permet d'obtenir un rendement de conversion photovoltaïque supérieur à 10%. Une voie vers la production de cellules solaires organiques performantes. Les résultats sont publiés dans la revue Journal of Materials Chemistry A.


Structure chimique des polymères non fluoré (PF0) et fluoré (PF2), cliché GIWAXS et représentation schématique de leur structure à l'état solide et caractérisation photovoltaïque.

Certaines cellules photovoltaïques "tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.)", moins coûteuses à fabriquer que les cellules actuelles en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), ont déjà atteint un rendement de conversion énergétique supérieur à 10%. Mais les mécanismes physiques qui expliquent ces performances ne sont pas encore entièrement élucidés. Trois équipes de chercheurs, issues de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle...) et procédés pour l'Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), l'Environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...) et la Santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) (ICPEES, CNRS/Université de Strasbourg), de l'Institut de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) et chimie des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg) et du laboratoire des sciences de l'Ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de...), de l'Informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de...) et de l'Imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La...) (ICube, CNRS/Université de Strasbourg), ont mis en évidence les liens subtils qui existent entre la structure moléculaire d'un des constituants essentiels de la couche active (un polymère fluoré donneur d'électrons) et le rendement de conversion de la cellule photovoltaïque (Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le...).

Les polymères semiconducteurs étudiés par les chercheurs peuvent être visualisés comme des longues planches rigides (i.e. des chaînes de polymères linéaires constituées de cycles aromatiques) substituées sur leur tranche à la fois par des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) de fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des halogènes, de masse atomique 19.) et par des chaînes flexibles aliphatiques(1). Avec ce type de structure moléculaire, ces chercheurs ont réalisé des cellules photovoltaïques "tout organique" dont le rendement dépasse 10% (une première pour un laboratoire du CNRS). À partir de la variation systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers. Elle ne doit pas être...) de la proportion d'atomes de fluor sur le squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur...) du polymère et de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est...) et de l'encombrement des chaînes aliphatiques, les auteurs ont démontré le rôle combiné et essentiel de ces deux paramètres. Cette étude approfondie a été possible grâce à la collaboration entre l'ICPEES, pour la synthèse des polymères, l'IPCMS pour l'analyse de la structure à l'état solide et ICube, pour l'élaboration et la mesure des performances des cellules photovoltaïques réalisées avec ces polymères.

Deux phénomènes physiques contribuant au rendement de la cellule ont ainsi été mis en évidence, ainsi qu'un effet de synergie entre ces deux mécanismes. L'étude a confirmé que la présence d'atomes de fluor accroît la cohésion entre les chaînes polymères et favorise le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications...) de charges entre les "planches" de polymère. Elle a aussi élucidé le rôle des chaînes aliphatiques. En effet, lorsque l'encombrement de ces groupements augmente, une fraction des "planches de polymère" s'oriente à plat sur le substrat, favorisant ainsi le transport de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) perpendiculairement au substrat, ce qui constitue une caractéristique essentielle au bon fonctionnement d'une cellule photovoltaïque organique.

Les trois laboratoires visent maintenant à généraliser cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) des polymères pour le photovoltaïque organique. L'idée est d'étudier de nouveaux polymères conçus à façon et de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) en revue les polymères photovoltaïques déjà étudiés par d'autres équipes. L'objectif est d'établir des règles d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation...) macromoléculaires plus universelles permettant de concevoir des polymères photovoltaïques encore plus performants. Cette découverte peut aussi être exploitée plus largement dans le domaine des polymères pour l'électronique organique "plastique".

Note:
(1) Les chaînes aliphatiques considérées ici sont des chaînes alkyles comportant de 8 à 20 atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.). L'encombrement est régi en partie par la présence d'une ramification dans ces chaînes, le point (Graphie) de branchement étant plus ou moins éloigné du squelette polymère. Les chaînes ont pour rôle de permettre la mise en solution des polymères facilitant ainsi leur manipulation et leur mise en œuvre.


Références publication:
Face-on orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) of fluorinated polymers conveyed by long alkyl chains: a prerequisite for high photovoltaic performances,
O. A. Ibraikulov, C. Ngov, P. Chávez, I. Bulut, B. Heinrich, O.Boyron, K. L. Gerasimov, D. A. Ivanov, S. Swaraj, S. Méry, N. Leclerc, P. Lévêque and T. Heiser
Journal of Materials Chemistry A 6 12038 (2018)
DOI: 10.1039/c8ta04127j

Contacts chercheurs:
Thomas Heiser - ICube
Patrick Lévêque - ICube
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