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La photovoltaïque à base de carbone

Capter l'énergie quasiment illimitée du soleil pour produire de l'électricité avec des panneaux photovoltaïques (PV) constitue une alternative durable prometteuse à la combustion des carburants fossiles. De nouvelles informations sur les semi-conducteurs organiques pourraient offrir la percée nécessaire.
La photovoltaïque à base de carbone
La technologie a bien progressé au cours des dernières décennies et de nombreux systèmes sont en place dans le monde entier. La technologie photovoltaïque conventionnelle est essentiellement basée sur le silicium, actuellement dans sa troisième génération avec la technique couche mince inorganique. Toutefois, sa mise en œuvre généralisée s'est heurtée à des difficultés liées aux coûts de fabrication et au rendement de conversion.

Les piles solaires utilisant des semi-conducteurs organiques comme des polymères avec des chaînes principales de carbone sont facilement traitées à moindres coûts. Les structures à hétérojonction dans lesquelles des chaînes semi-conductrices de donneurs et d'accepteurs d'électrons sont mélangées peuvent faciliter le mouvement des électrons et accroître ainsi le rendement. Les scientifiques se sont intéressés à deux systèmes potentiels avec le financement par l'UE du projet NANOPV («Spectroscopic insight with nanoscale resolution on model photovoltaic systems»).

Le premier était composé d'hétéro-structures organiques liées par covalence constituées d'entités séparées de propriétés électroniques différentes. L'équipe a recherché des voies pour l'association par covalence de précurseurs qui conduiraient à la formation de nanorubans de graphène (NRG). Le graphène est une forme nanostructurée de carbone, une feuille d'atomes de carbone de l'épaisseur d'un atome.

À l'aide de deux méthodes de synthèse chimique différentes sur une variété de substrats, l'équipe a pu produire des NRG avec la précision de l'atome plus grands que ceux réalisés par le passé. Cela a conduit à des bandes d'énergie interdite associées plus petites (plus la bande est petite, plus le matériau est conducteur). En outre, les changements chimiques observés étaient différents et plus complexes que ceux prévus.

Les expériences ont donné des informations inédites grâce à la visualisation des réarrangements des liens covalents pendant la formation des NRG. Le manuscrit associé a été accepté pour publication dans la célèbre revue scientifique Science. Plusieurs autres articles se situent à différents stades de révision ou de publication dans d'autres magazines prestigieux.

Les scientifiques ont également synthétisé et caractérisé un grand nombre de mélanges moléculaires bi-composants non associés par covalence. Outre une meilleure compréhension des écarts spécifiques dans certains systèmes, l'équipe a découvert une tendance importante concernant les alignements énergétiques d'interface dépendant de la stœchiométrie dans les mélanges donneur-receveur sur les surfaces métalliques. Les prochaines publications soulignent les résultats importants.

Les résultats du projet NANOPV devraient avoir un impact important sur le développement des PV avec des réductions de coûts possibles et des augmentations au niveau de l'efficacité de la conversion d'énergie. En fait, l'amélioration du mouvement des électrons aura un impact important sur les appareils électroniques organiques pour de nombreuses autres applications.

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Mots-clés

Photovoltaïque, semi-conducteurs organiques, structures à hétérojonction, nano-ruban de graphène