Optimiser la structure moléculaire d'un polymère pour augmenter son rendement photovoltaïque

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.

Certaines cellules photovoltaïques « tout organique », moins coûteuses à fabriquer que les cellules actuelles en silicium, 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 de chimie et procédés pour l’Énergie, l’Environnement et la Santé (ICPEES, CNRS/Université de Strasbourg), de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg) et du laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie (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.

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 de fluor et par des chaînes flexibles aliphatiques¹. 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 de la proportion d’atomes de fluor sur le squelette du polymère et de la longueur 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 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 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 à l’ensemble des polymères pour le photovoltaïque organique. L’idée est d’étudier de nouveaux polymères conçus à façon et de passer en revue les polymères photovoltaïques déjà étudiés par d'autres équipes. L'objectif est d’établir des règles d'ingénierie 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 ».

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¹ Les chaînes aliphatiques considérées ici sont des chaînes alkyles comportant de 8 à 20 atomes de carbone. L’encombrement est régi en partie par la présence d’une ramification dans ces chaînes, le point 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.

© ICube
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.

Références :

Face-on orientation 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

Contact communication :
insis.communication@cnrs.fr
aspimmel@unistra.fr