L’empilement de molécules comme des plaques améliore les performances des dispositifs solaires organiques

Pour un avenir propre et vert, il est essentiel d’exploiter l’énergie solaire. Pour cela, nous avons besoin de dispositifs optoélectroniques, comme les cellules solaires, capables de convertir efficacement la lumière en électricité. Une équipe dirigée par l’Université d’Osaka a découvert comment améliorer encore l’efficacité de ces dispositifs : en contrôlant la manière dont les molécules absorbant la lumière s’empilent.

Les dispositifs optoélectroniques organiques, tels que les cellules solaires organiques, sont de plus en plus recherchés en raison de leurs avantages inhérents, par exemple leur flexibilité ou leur légèreté. Leurs performances dépendent de la capacité de leurs molécules organiques absorbant la lumière à convertir l’énergie lumineuse en porteurs de charge libres, qui transportent le courant électrique. L’énergie nécessaire pour générer les porteurs de charge libres est appelée énergie de liaison des excitons.

Plus l’énergie de liaison des excitons est faible, plus il est facile de générer des porteurs de charge libres et donc meilleures sont les performances du dispositif. Cependant, nous avons encore du mal à concevoir des molécules à faible énergie de liaison des excitons à l’état solide.

Après une inspection plus approfondie, l’équipe de recherche a découvert que l’énergie de liaison des excitons des matériaux solides est affectée par la façon dont leurs molécules s’empilent, ce que l’on appelle l’agrégation.

« Nous avons synthétisé deux types de molécules semblables en forme d’étoile, l’une avec un centre flexible et l’autre avec un centre rigide », explique l’auteur principal Hiroki Mori. « Les molécules individuelles se comportaient de manière similaire lorsqu’elles étaient dispersées dans une solution, mais de manière très différente lorsqu’elles étaient empilées ensemble dans de minces films solides. »

La différence de comportement est due au fait que les molécules rigides s’empilent bien, comme des plaques, alors que les molécules flexibles ne le font pas. En d’autres termes, à l’état solide, la molécule rigide a une énergie de liaison aux excitons bien inférieure à celle de la molécule flexible.

Pour vérifier cela, l’équipe a construit une cellule solaire organique monocomposant et un photocatalyseur utilisant chaque molécule. La cellule solaire et le photocatalyseur constitués de la molécule rigide ont montré des performances impressionnantes car leur faible énergie de liaison aux excitons a conduit à une génération élevée de porteurs de charge libres.

« Nos résultats, qui montrent que la fabrication de molécules qui s’agrègent bien peut réduire l’énergie de liaison des excitons, sont vraiment passionnants », déclare l’auteur principal Yutaka Ie. « Cela pourrait nous fournir une nouvelle façon de concevoir des dispositifs optoélectroniques plus efficaces. »

Les conclusions de l’équipe, publiées dans Angewandte Chemie International Editionmontrent que l’interaction entre les molécules d’un solide est importante pour les performances du dispositif, et que la conception de molécules pour les dispositifs optoélectroniques hautes performances doit aller au-delà des propriétés moléculaires individuelles.

Cette nouvelle façon de diminuer l’énergie de liaison des excitons pourrait soutenir les mécanismes de pilotage et l’architecture de la prochaine génération de dispositifs optoélectroniques.