Un record de performances pour les cellules photovoltaïques organiques à encre à base d’eau

Les cellules photovoltaïques organiques (OPV) peuvent être fabriquées entièrement par procédés d’impression, avec une couche active déposée à partir d’encres de semi-conducteurs. Ainsi, les OPV se fabriquent à basse température, sur substrats souples, peuvent être semi-transparentes et, comme leur fabrication requière peu d’énergie, elles offrent un retour sur investissement énergétique plus rapide que les cellules silicium malgré une conversion de l’énergie solaire moindre. Les cellules OPV les plus performantes sont obtenues avec des solvants halogénés, comme le chloroforme, ou des composés aromatiques, dont les vapeurs toxiques posent diverses contraintes environnementales. Une alternative avec des encres à base d’eau permettrait de s’affranchir de ces problèmes. Comme les semi-conducteurs organiques ne sont pas solubles dans l’eau, la stratégie consiste à développer des dispersions de nanoparticules. Pour ce type de cellules, la conversion d’énergie est jusqu’à présent restée inférieure de moitié par rapport à celles à base de solvants halogénés, à cause d’une moins bonne organisation des nanoparticules, notamment sous la forme d’une trop forte séparation de phase. Des chercheurs et chercheuses du laboratoire de l’Intégration du matériau au système (IMS, CNRS/Bordeaux INP/Université de Bordeaux), de l’Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l’environnement et les matériaux (IPREM, CNRS/Université de Pau - Pays de l’Adour), de l’Institut Charles Sadron (ICS, CNRS), du Laboratory for integrated micro mechatronics systems (LIMMS, CNRS/Université de Tokyo), de l’Institut Paul Scherrer (Suisse), du Laboratoire national Lawrence-Berkeley (États-Unis) et des universités de Tokyo et de Sidney ont conçu les toutes premières OPV à encre à base d’eau à frôler les 10 % de conversion de l’énergie solaire en électricité. Ce rendement est très proche de celui des cellules de références fabriquées à partir d’encres en solvants halogénés, qui est de 11,2 %.

Dans ces travaux, menés dans le cadre du projet ANR WATER-PV, les scientifiques ont contourné les problèmes de solubilité des semi-conducteurs dans l’eau. Ils ont pour cela utilisé des nanoparticules qui se dispersent dans l’eau sans avoir à s’y dissoudre. Elles sont composées de deux semi-conducteurs organiques : un donneur et un accepteur d’électrons. Ces deux matériaux ont été intégrés dans la nanoparticule afin que leurs tailles de domaines, c’est-à-dire la largeur des zones des matériaux donneurs ou accepteurs, soient seulement de quelques dizaines de nanomètres entre eux. Surtout, ils conservent ces tailles de domaine minimes, qui améliorent la conversion de l’énergie, lors des différentes phases de traitements thermiques de la fabrication des cellules OPV. Les cellules obtenues sont ainsi rigoureusement organisées et offrent une conversion de l’énergie de 9,98 %. Ces travaux ont réduit l’écart entre les cellules solaires fabriquées à partir d’encres halogénées ou aromatiques et celles conçues avec des encres aqueuses. Ils ouvrent ainsi la voie au développement de procédés plus propres pour le photovoltaïque organique, mais aussi pour l’électronique organique en général. L’équipe compte à présent combler totalement cette différence et baisser la température du traitement thermique, ce qui diminuerait le temps et l’énergie nécessaires à la fabrication de ces cellules.

Références
Toward High Efficiency Water Processed Organic Photovoltaics: Controlling the Nanoparticle Morphology with Surface Energies.
Laval, H., Holmes, A., Marcus, M. A., Watts, B., Bonfante, G., Schmutz, M., Deniau, E., Szymanski, R., Lartigau-Dagron, C., Xu, X., Cairney, J. M., Hirakawa, K., Awai, F., Kubo, T., Wantz, G., Bousquet, A., Holmes, N. P., Chambon, S..
Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2300249.
https://doi.org/10.1002/aenm.202300249