Imaginez un avenir dans lequel nos écrans de téléphone, nos façades de bâtiments et même nos tentes pourront facilement produire de l'électricité-un exploit rendu possible par l'immense potentiel des cellules solaires polymères (PSC). Par rapport aux panneaux solaires traditionnels-à base de silicium, les PSC, avec leurs avantages uniques d'être légers, flexibles et imprimables en solution-pour la fabrication d'appareils-sur de grandes surfaces, sont devenus une étoile montante dans le nouveau domaine énergétique. Cependant, le principal goulot d’étranglement pour parvenir à une application commerciale réside dans l’amélioration de l’efficacité de conversion photoélectrique (PCE). Au cours de la dernière décennie, le PCE est passé d'environ 1 % à plus de 11 %, et l'un des principaux moteurs de cette évolution est la conception et l'optimisation de matériaux photovoltaïques polymères à haute-performance.
1. Du polythiophène aux copolymères D-A
Les premières recherches se sont concentrées sur les homopolymères de polythiophène tels que le P3HT, mais leur spectre d'absorption étroit et leur niveau élevé d'HOMO limitaient leur efficacité. Les chercheurs ont surmonté cette limitation grâce à la conception moléculaire : par exemple, l'introduction de branches conjuguées bidimensionnelles telles que le bisthiophène éthylène sur le polythiophène a non seulement élargi le spectre d'absorption, mais a également abaissé le niveau HOMO d'environ 0,2 eV, améliorant considérablement la tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit de l'appareil, augmentant ainsi l'efficacité de 2,41 % à 3,18 %. Une autre stratégie consiste à réduire le nombre de chaînes alkyle et à introduire des groupes attracteurs d'électrons tels que des groupes ester, qui peuvent également réduire efficacement le niveau d'énergie HOMO et améliorer considérablement le Voc (par exemple, PDGBT atteint 0,91 V) et l'efficacité (7,2 %).
2. Benzodithiophène (BDT)
La percée véritablement révolutionnaire est venue de la structure du copolymère alterné donneur-accepteur (D-A). Parmi eux, l’unité benzodithiophène (BDT) s’est démarquée par son grand plan conjugué, sa grande mobilité et sa facilité de modification structurelle. En 2008, le chercheur Hou Jianhui a été le pionnier de l'utilisation du BDT dans la conception de polymères D-A dans le groupe de recherche de Yang. Par la suite, la combinaison du BDT et du thiophène[3,4-b]thiophène (TT) est devenue une association idéale pour les matériaux hautes performances.
Pour explorer davantage le potentiel des polymères de type BDT-, des branches conjuguées bidimensionnelles et des stratégies de fluoration peuvent être adoptées :
L'introduction de branches conjuguées bidimensionnelles-dans l'unité BDT élargit considérablement la zone conjuguée des électrons π-de la molécule. Cela améliore non seulement les interactions intermoléculaires et les capacités de transport de charges, mais module également efficacement le spectre d'absorption et le niveau d'énergie moléculaire. Par exemple, PBDTTT-C-T, PTB7-Th et plus tard PBDT-TS1, qui ont réalisé des gains d'efficacité de plus de 10 %, ont tous bénéficié de cette conception.
L'introduction sélective d'atomes de fluor fortement attracteurs d'électrons-dans les chaînes latérales ou les unités accepteurs TT du BDT peut réduire de manière synergique et significative le niveau d'énergie HOMO du polymère, améliorant ainsi considérablement la tension en circuit ouvert-de l'appareil. Du PBT-OF au PBT-3F, à mesure que le nombre d'atomes de fluor augmente, Voc passe de 0,56 V à 0,78 V et l'efficacité passe de 4,5 % à 8,6 %.
3. Contrôle morphologique
Les hautes performances dépendent non seulement du matériau lui-même, mais également de la microstructure de l’hétérojonction globale formée par le mélange donneur/accepteur dans la couche active. La morphologie doit être parfaite : si la région de phase est trop grande, les excitons se recombineront avant de pouvoir se séparer ; si la région de phase est trop petite, les charges libres se recombineront également facilement. Les chercheurs ont exploré deux approches pour contrôler les mélanges de polymères :
Traitement des solvants verts : pour éviter les solvants halogénés toxiques, les chercheurs ont exploré l'utilisation de solvants verts tels que l'o-xylène et l'o-méthylanisole (MA), combinés à des additifs spécifiques (tels que le NMP), reproduisant avec succès l'excellente morphologie similaire à celle des systèmes de solvants halogénés et atteignant un rendement élevé de près de 10 %.
Optimisation de la structure moléculaire : en concevant pour rendre le squelette du polymère plus linéaire, en augmentant la zone conjuguée ou en ajustant finement les chaînes latérales alkyle, la cristallinité et l'emballage moléculaire du polymère peuvent être activement contrôlés, obtenant ainsi des morphologies de mélange idéales.
En tant que composant important de l’énergie verte, les matériaux photovoltaïques polymères mènent la tendance de la transformation énergétique grâce à leurs propriétés et avantages uniques. Avec les progrès technologiques continus et l’expansion du marché, les matériaux photovoltaïques polymères présenteront des perspectives d’application encore plus larges et un énorme potentiel de marché à l’avenir. Attendons avec impatience que les matériaux photovoltaïques polymères apportent des solutions énergétiques plus propres, plus efficaces et durables à la société humaine !
