Les cellules photovoltaïques sont le plus souvent en silicium, cuivre, indium et sélénium. Les recherches s'orientent de plus en plus vers la fabrication de cellules solaires organiques. © Zigazou76, Flickr, cc by 2.0

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Cellules solaires organiques : bientôt un développement industriel ?

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Des cellules photovoltaïques bon marché, légères et facile à fabriquer : c'est la piste qu'explorent des scientifiques français, qui parviennent à synthétiser de manière simple une molécule active sans l'aide de catalyseurs métalliques. C'est une nouvelle étape vers un développement industriel.

Les cellules solaires organiques (CSO) ouvrent de vastes possibilités d'extension des applications de la conversion photovoltaïque (PV) en tirant parti de la plasticité et de la légèreté des matériaux organiques. Cependant, l'intérêt potentiel majeur des CSO réside dans une réduction drastique du coût de l'électricité PV par rapport aux cellules à base de silicium. Une CSO repose sur la création d'une hétérojonction à l'interface de deux matériaux respectivement donneur et accepteur d'électrons. Un atout majeur des matériaux actifs organiques réside dans leur possible mise en œuvre par voie humide, ce qui permet de réduire fortement l'empreinte carbone de la fabrication par rapport à la filière silicium.

L'intense compétition internationale sur le PV organique a conduit à faire de l'efficacité de conversion le critère quasi exclusif d'évaluation de la recherche. Cependant, cette course au rendement à tout prix entraîne la recherche dans une direction qui semble s'éloigner des critères souhaitables pour un réel développement industriel. En réalité, l'augmentation impressionnante de rendement obtenue dans un laps de temps relativement court a mobilisé une sophistication croissante de la technologie des dispositifs et de la chimie des matériaux.

Prototype de cellule solaire organique à base de petites molécules. Se passer de catalyseurs métalliques réduirait les coûts et augmenterait le développement industriel de ces cellules. © Institut Moltech-Anjou

Ainsi, la fabrication de ces cellules implique l'insertion de couches additionnelles optimisées, le remplacement des accepteurs à base de C60 par des dérivés du C70 beaucoup plus chers, l'utilisation de métaux précieux dans certains cas, de solvants toxiques, d'additifs et de traitements thermiques. Par ailleurs, les matériaux actuellement les plus efficaces reposent sur des structures chimiques complexes impliquant des synthèses multiétapes de faible rendement global, et donc d'un coût élevé.

Cellules solaires organiques moins chères et plus propres

Les polymères conjugués ont longtemps constitué la seule classe de matériaux actifs pour les CSO. Cependant, la polydispersité des polymères pose des problèmes de reproductibilité des propriétés électroniques dues en particulier à la purification : élimination de groupes terminaux résiduels, extractions successives et mise à l'écart d'une partie importante du produit brut.

Une voie alternative consiste à remplacer les polymères par des molécules de structure parfaitement définie. Dans ce contexte, une équipe du CNRS poursuit la mise au point de nouveaux matériaux actifs en s'efforçant d'intégrer dès la conception des molécules les contraintes liées à un futur développement industriel : simplicité de la structure, synthèse en peu d'étapes, rendement global élevé, réactions compatibles avec une montée en échelle et recours en priorité à une chimie propre. Les chercheurs ont récemment montré que des molécules de structure minimalistes étaient capables de fournir des performances intéressantes dans des cellules de structure rudimentaire.

Dans une étude publiée dans la revue ChemSusChem, les scientifiques viennent de franchir une nouvelle étape vers le développement industriel des CSO en synthétisant une molécule active à l'aide de deux réactions de condensation qui ne nécessitent pas de catalyseurs métalliques coûteux et ne produisent comme sous-produit de réaction que de l'eau. Les premiers tests sur des dispositifs basiques montrent des performances intéressantes, bien qu'encore modestes, et le travail de recherche se poursuit afin de valoriser cette approche par la synthèse de nouvelles molécules actives.

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