Un algorithme aide à trouver de nouveaux matériaux efficaces pour les cellules solaires en réassemblant les blocs de construction moléculaires déjà connus des cellules solaires et en simulant les molécules résultantes. Crédit : MPI-P
Les matériaux organiques, à base de carbone, sont déjà largement utilisés dans les écrans aujourd’hui, mais ils sont également des matériaux prometteurs pour les nouvelles cellules solaires. Cependant, l’adaptation de leurs propriétés prend beaucoup de temps et nécessite une synthèse et une caractérisation chimique poussées. Un nouveau protocole de simulation a été mis au point à l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Il combine des blocs de construction moléculaires déjà connus pour former de nouvelles structures et les met en corrélation avec l’efficacité des cellules solaires, ce qui pourrait simplifier considérablement les processus de développement.
Les cellules solaires organiques pourraient jouer un rôle clé dans la transition vers les énergies renouvelables. Cependant, une voie de synthèse bon marché et une efficacité élevée des cellules sont essentielles pour faciliter cette transition. La découverte d’une nouvelle classe de matériaux, connue sous le nom d'”accepteurs non fullerènes”, offre une voie de synthèse rentable par rapport aux cellules solaires en silicium plus traditionnelles, tout en offrant une efficacité supérieure à celle des premières cellules solaires organiques.
La conception de ces matériaux “accepteurs de nonfullerène” avec des propriétés adaptées à l’utilisation dans les cellules solaires pose encore des défis. Une nouvelle méthodologie de conception basée sur la simulation pour simplifier cette procédure vient d’être développée dans le groupe de Denis Andrienko, département de Kurt Kremer à l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, et ses collègues. La méthodologie de conception utilise les cellules solaires organiques déjà connues et présentant des rendements élevés en les divisant en plusieurs fragments. Ces fragments sont constitués de composants moléculaires donneurs ou accepteurs d’électrons, appelés “accepteurs” et “donneurs”. Les blocs de construction donneurs et accepteurs provenant de différentes cellules solaires connues peuvent être combinés pour donner de nouvelles molécules “accepteurs non fullerènes” à utiliser dans les cellules solaires.
“C’est un défi de sélectionner le bon parmi le grand nombre de composés moléculaires existants – c’est pourquoi nous utilisons notre méthode pour accéder aux cellules solaires déjà existantes et combiner leurs composants moléculaires pour créer de nouvelles cellules solaires”, explique Kun-Han Lin, co-auteur de l’étude.
L’algorithme de conception comprend des contraintes qui réduisent le nombre de molécules “accepteurs nonfullerènes” possibles – telles que la symétrie moléculaire, le moment quadripolaire, l’énergie d’ionisation et l’affinité électronique. Par exemple, dans les cas où une combinaison accepteur-donneur-accepteur est utilisée, les deux éléments constitutifs de l’accepteur sont toujours du même type.
Cette méthodologie de conception est déjà prometteuse et permet de prédire l’efficacité des cellules solaires avant que les matériaux ne soient réellement synthétisés.
“Nous avons été ravis lorsque nous avons réalisé que notre méthode fonctionnait : sur les 12 cellules solaires efficaces prédites, 10 ont déjà été produites et sont très efficaces”, a déclaré M. Andrienko.
Ils ont publié leurs travaux dans la célèbre revue Advanced Energy Materials.
Référence : “Chemical Design Rules for Non-Fullerene Acceptors in Organic Solar Cells” par Anastasia Markina, Kun-Han Lin, Wenlan Liu, Carl Poelking, Yuliar Firdaus, Diego Rosas Villalva, Jafar I. Khan, Sri H. K. Paleti, George T. Harrison, Julien Gorenflot, Weimin Zhang, Stefaan De Wolf, Iain McCulloch, Thomas D. Anthopoulos, Derya Baran, Frédéric Laquai et Denis Andrienko, 8 octobre 2021, Matériaux énergétiques avancés.
DOI : 10.1002/aenm.202102363
