Analyser les spins pour identifier de nouvelles règles de conception des matériaux destinés au photovoltaïque organique
Les dispositifs électroniques organiques fonctionnent avec de petites molécules ou polymères organiques qui présentent des propriétés électroniques utiles, comme la conductivité. Leur faible coût et leur facilité de traitement les rendent compétitifs sur le marché de l’énergie, tandis que leur flexibilité et leur facilité de réglage, y compris en termes de couleurs et de degrés de transparence, permettent de les intégrer facilement dans la conception des bâtiments. Le projet SpinSolar, financé par l’UE, a eu recours à la spectroscopie par résonance de spin électronique (RSE) pour caractériser de manière détaillée les processus dépendant du spin dans les molécules et dans les matériaux organiques utilisés pour l’énergie photovoltaïque et l’optoélectronique. Cette recherche a été entreprise avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie. «La détection des spins dans les nouveaux matériaux fonctionnels et la caractérisation de leur environnement et de leurs interactions peuvent améliorer notre compréhension de la manière dont les propriétés moléculaires déterminent leur fonction dans de futures applications technologiques potentielles», déclare le coordinateur du projet, Jan Behrends.
Une meilleure compréhension des relations structure-propriété
Les chercheurs ont eu recours à la RSE pour acquérir de nouvelles connaissances sur la nature et la dynamique des molécules paramagnétiques dans les nouveaux matériaux fonctionnels organiques. La RSE se distingue parmi les différentes techniques de caractérisation actuellement utilisées pour étudier ces matériaux car elle est sélective vis-à-vis des molécules portant des électrons non appariés et fournit des informations directes sur leur environnement à l’échelle nanométrique. Les membres de l’équipe ont étudié la corrélation entre les structures moléculaires des matériaux et molécules organiques et leurs propriétés électroniques. Ils ont analysé une série d’acènes torsadés (twisted acenes), des molécules organiques basées sur des anneaux de benzène fusionnés qui agissent comme matériaux actifs dans une série de dispositifs pour l’électronique organique. Les résultats ont montré comment la distribution des électrons non appariés à l’état de triplet photoexcité de la molécule changeait lorsque cette dernière était vrillée plus loin de la planéité et comment cela affectait ses propriétés. «Même de légers changements dans le degré de torsion ont révélés des modifications nettes dans les spectres RSE mesurés, ce qui démontre la grande sensibilité de cette technique», explique Claudia Tait, titulaire d’une bourse Marie Skłodowska-Curie.
De nouvelles connaissances sur les propriétés des matériaux
L’un des défis majeurs de l’électronique organique est de contrôler la conductivité des polymères par le dopage moléculaire. SpinSolar a donc étudié le dopage du P3HT, un polymère organique qui peut être rendu conducteur par oxydation et dont l’utilisation est envisagée pour les cellules solaires, les transistors à effet de champ et les capteurs chimiques. «Dans une étude optique et spectroscopique RSE combinée, nous avons comparé une série de dopants et de formes du polymère afin de tenter d’identifier les propriétés moléculaires pertinentes pour un dopage efficace», note Jan Behrends. La capacité de la RSE à quantifier et à caractériser les espèces paramagnétiques produites par dopage a montré que le mécanisme de dopage est déterminé principalement par la faculté du polymère à délocaliser la charge acquise, plutôt que par la taille et la forme de la molécule de dopant. L’équipe a également constaté que les différents dopants peuvent conduire à des signatures spectrales RSE significativement différentes du système polymère-dopant et que des techniques avancées de RSE par impulsions à de multiples bandes de fréquences sont nécessaires pour une caractérisation précise. SpinSolar a démontré avec succès le potentiel de la technique RSE, en particulier des méthodes d’impulsion avancées, pour répondre à un large éventail de questions. Claudia Tait et Jan Behrends concluent: «Les connaissances sur les corrélations entre la structure moléculaire et les propriétés électroniques obtenues grâce à cette technique ont le potentiel d’influencer la conception de nouveaux matériaux fonctionnels et de nouvelles combinaisons de matériaux pour le photovoltaïque et d’autres dispositifs électroniques organiques.»
Mots‑clés
SpinSolar, électronique organique, résonance de spin électronique (RSE), photovoltaïque, dopage moléculaire
