Un nouveau Polymère peut améliorer les performances des Cellules Solaires Organiques et Pérovskites
Les scientifiques de Skoltech et leurs collègues ont synthétisé un tout nouveau polymère conjugué pour les appareils électroniques naturels en utilisant deux réactions en chaîne différentes et ont montré l’influence des deux méthodes sur son efficacité dans les batteries solaires organiques et pérovskites. L’article a été publié dans la revue Macromolecular Chemistry and Physics.
Alors que le monde tente de passer à des ressources propres et renouvelables, telles que l’énergie solaire, les scientifiques s’efforcent de rendre les cellules solaires plus fiables pour la production d’électricité. Parmi les approches prometteuses figurent deux technologies photovoltaïques ou PV modernes qui s’implantent rapidement et qui permettent de produire de l’énergie solaire durable et rentable : les batteries solaires naturelles et les batteries solaires à pérovskite aux halogénures de plomb. Leur principal avantage par rapport aux cellules solaires industrielles à base de silicium cristallin est le faible coût de dépôt de la couche photo active à partir de la solution. Il rend la fabrication énergétique moins coûteuse, simplifie la mise à l’échelle avec les techniques d’impression et la fabrication rouleau à rouleau, et permet la fabrication d’outils sur des surfaces adaptables et élastiques.
Cependant, il existe plusieurs défis à la promotion extensive de ces innovations. Pour quelque chose, l’efficacité des batteries solaires naturelles a encore un long chemin à parcourir. Cela nécessitera sans aucun doute de peaufiner la composition de la couche photo active. Dans les batteries solaires naturelles, la conversion lumière-énergie se produit dans la couche photo active constituée d’un mélange de produits bienfaiteurs et accepteurs – le contributeur est généralement un polymère conjugué.
En ce qui concerne la pérovskite, les batteries solaires ont atteint des performances document certifiées étonnantes de 25,5 % ; cependant, la sécurité à long terme reste une préoccupation. Une étude récente a montré que la sécurité du dispositif peut être améliorée en recouvrant le produit de pérovskite photo actif d’une couche d’extraction de charge qui fournit une encapsulation efficace. Pour ne citer que quelques matériaux, cette caractéristique protectrice pourrait être remplie par les polymères conjugués, ce qui rend crucial pour maximiser leur qualité supérieure en améliorant leur synthèse.
« Les polymères conjugués ont une variété d’applications essentielles, nous motivant à rechercher des moyens d’optimiser leur synthèse pour améliorer leur qualité supérieure, ce qui conduirait certainement à une bien meilleure performance des dispositifs solaires. Notre recherche se concentre sur un type spécifique de polymères conjugués, constitués de l’unité isoindigo dans la chaîne polymère. Les résultats démontrent que les deux voies de synthèse ont fait une demande pour la synthèse de matériaux à base d’isoindigo. La réaction de Stille devrait avoir le choix sur la réaction de Suzuki comme dernière étape de la synthèse », Skoltech Ph.D. l’étudiant Marina Tepliakova a clarifié.
En collaboration avec Skoltech Provost Keith Stevenson et leurs associés du RAS Institute for Troubles of Chemical Physics, Marina Tepliakova a synthétisé un polymère conjugué à base d’isoindigo, un isomère du célèbre colorant indigo. Le groupe a utilisé deux voies de synthèse généralement utilisées pour générer des polymères à base d’isoindigo : les réponses de polycondensation Stille et Suzuki.
Les polymères conjugués sont des produits organiques comprenant généralement des dispositifs donneurs et accepteurs alternés dans leur structure, c’est pourquoi ils sont également décrits comme des matériaux DADAD. Les systèmes D et A, appelés monomères, sont reliés en chaînes polymères à l’aide de nombreuses réactions de polymérisation, dont chacune compte sur les monomères donnant naissance à des équipes fonctionnelles supplémentaires spécifiques pour démarrer. Pour les polymères, y compris le système isoindigo comme élément accepteur, deux voies de synthèse sont facilement disponibles. L’étude de recherche du groupe Skoltech-IPCP RAS les a analysés tous les deux.
Outre la distinction d’équipe fonctionnelle indiquée ci-dessus, les deux voies de synthèse sont différentes en termes de conditions de réaction requises. Par exemple, le procédé de polycondensation Suzuki fait appel à une base minérale et des monomères dans le mélange de fluides non miscibles : eau et solvant organique. Le transfert de monomère entre les étapes est rendu possible par des particules uniques appelées catalyseurs de transfert. La réponse de Stille a généralement lieu en une seule étape et également à des niveaux de température élevés. De plus, les deux réactions nécessitent des conducteurs à base de palladium.
“Notre toute première observation était que les conditions communes de la réaction de Suzuki étaient inappropriées avec la synthèse de monomères à base d’isoindigo”, a commenté Marina Tepliakova. « À l’aide de la chromatographie liquide à haute performance, nous avons observé la décomposition du signal des monomères en trois signaux uniques de certains sous-produits avec différents temps de rétention dans le cadre des problèmes Suzuki standard. Cela indiquait que la destruction permanente du monomère à base d’isoindigo avait lieu. Nous avons donc modifié les problèmes de réponse jusqu’à ce qu’ils ne soient plus dangereux pour le matériel.
Après avoir peaufiné la réaction de Suzuki, le groupe a procédé à la synthèse du polymère, en utilisant les deux voies. Les produits résultants se sont avérés avoir des poids moléculaires similaires et également des propriétés optoélectroniques. Ensuite, les chercheurs ont testé les exemples dans des outils photovoltaïques ou PV : des cellules solaires organiques et pérovskites. Le polymère obtenu à l’aide de la réponse Stille a montré des performances exceptionnelles avec des rendements de 15,1 % et 4,1 % dans les batteries solaires à pérovskite et organiques, en particulier, le produit dérivé de Suzuki offrant une efficacité de 12,6 % et 2,7 %.
L’équipe a relié la différence de performance à ce que l’on appelle des pièges à frais dans le matériel acquis à l’aide de la réponse Suzuki. Cette hypothèse a été vérifiée à l’aide d’une technique appelée vibration de spin électronique, qui a montré que le matériau obtenu en utilisant la voie de Stille avait cinq fois moins de problèmes.
En ajustant l’approche de la synthèse de monomères à base d’isoindigo, les chercheurs ont trouvé un moyen de créer un matériau de qualité supérieure qui fonctionne bien dans les cellules photovoltaïques. Dans une expérience de suivi, le groupe fabrique plusieurs matériaux à vérifier dans des cellules solaires à pérovskite. Cette étude de recherche à venir clarifiera à quel point la structure mondaine s’associe à l’efficacité des outils.
Référence: Marina M. Tepliakova et al, Impact of Synthetic Route on Photovoltaic Properties of Isoindigo‐Containing Conjugated Polymers, Macromolecular Chemistry and Physics (2021). DOI: 10.1002/macp.202100136
