La cellule solaire organique tout-petit-molécules traitée à l’allylrhodanine atteint une percée d’efficacité de 18,43 %

Des cellules solaires plus intelligentes pour un usage quotidien

Des panneaux solaires apparaissent sur les toits, les sacs à dos et même les fenêtres, mais beaucoup restent encore lourds, rigides et coûteux à fabriquer. Cette étude explore une autre forme de technologie solaire, composée de petites molécules organiques qui peuvent être imprimées comme de l’encre de journal sur des films minces et flexibles. En ajustant avec soin la manière dont ces molécules s’organisent en séchant, les chercheurs poussent un type prometteur de cellule solaire organique à une efficacité record, rapprochant l’énergie solaire ultralégère et pliable d’une application pratique.

Pourquoi les panneaux solaires flexibles sont difficiles à perfectionner

Contrairement aux panneaux en silicium présents sur la plupart des toits, les cellules solaires organiques utilisent des molécules à base de carbone dissoutes dans un liquide puis étalées en film mince. Les versions entièrement constituées de petites molécules présentent de grands avantages pour la production de masse : leur structure est bien définie, elles peuvent être purifiées facilement et se comportent de façon reproductible d’un lot à l’autre. Mais il y a un bémol. Ces petites molécules ont tendance à cristalliser fortement et à se séparer en grandes « îlots » à l’intérieur du film. Comme les charges électriques créées par la lumière ne peuvent parcourir qu’une courte distance avant de disparaître, des îlots trop grands signifient que beaucoup de charges n’atteignent jamais les électrodes, limitant le courant et l’efficacité globale.

Un petit auxiliaire moléculaire intervient

L’équipe résout ce problème en ajoutant une quantité minime d’un composé auxiliaire appelé 3-allylrhodanine à un mélange d’une molécule donneuse (MPhS-C2) et d’une molécule accepteur (N3). Cet auxiliaire est un « additif solide volatil » : il s’intègre temporairement au mélange pendant le dépôt, puis s’évapore complètement lors d’une courte étape de chauffage, ne laissant aucun résidu dans le dispositif fini. Bien que sa structure rappelle une partie du donneur, des calculs informatiques détaillés et des expériences de résonance magnétique nucléaire montrent qu’il préfère en réalité interagir plus fortement avec l’accepteur. Ces attractions sélectives permettent à l’auxiliaire d’orienter la façon dont les deux composants s’organisent pendant que le film humide sèche.

Guider le film pendant son séchage

À l’aide de mesures optiques résolues dans le temps, de diffusion de rayons X, de microscopie à force atomique et de microscopie électronique, les chercheurs observent la formation du film en temps réel. Normalement, le donneur commence à cristalliser en premier et pousse l’accepteur à former des régions larges et grossières. En présence de l’additif, il modifie subtilement le calendrier : il réduit la fenêtre pendant laquelle le donneur peut surcroître, retarde et modère la cristallisation de l’accepteur, et améliore la répartition des deux matériaux sur la couche de contact sous-jacente. Le résultat final est un film plus lisse avec des domaines beaucoup plus petits et répartis de manière plus homogène et une structure verticale plus uniforme de haut en bas — un réseau finement entremêlé plutôt que des agglomérats et des vides.

Des charges plus durables et une puissance supérieure

Cette structure interne affinée présente des avantages électriques évidents. Des mesures de l’absorption de la lumière à travers l’épaisseur du film révèlent que les excitons — paires liées de charges créées par la lumière — se forment de manière plus uniforme et plus près des électrodes, de sorte qu’ils parcourent des distances plus courtes avant d’être séparés. Les tests du transport des charges montrent des mobilités plus élevées et plus équilibrées pour les électrons et les trous, moins de pièges où les charges se bloquent et moins de recombinaisons où elles s’annihilent mutuellement. La spectroscopie laser ultrarapide confirme que les charges se séparent plus rapidement et vivent plus longtemps avant de se recombiner. Ensemble, ces effets augmentent le courant et, en particulier, le facteur de remplissage, conduisant à une efficacité de conversion d’énergie de 18,43 % — certifiée indépendamment à 18,16 % — la plus élevée à ce jour pour cette classe de cellules solaires organiques à deux composants de petites molécules.

Ce que cela signifie pour les films solaires futurs

Pour un non-spécialiste, le message clé est qu’un additif temporaire soigneusement choisi peut jouer le rôle de « chef de chantier » pour la couche active d’une cellule solaire flexible. Le 3-allylrhodanine ne reste pas dans le dispositif, mais tant qu’il est présent il guide la façon dont les éléments constructifs se mettent en place, produisant une texture interne plus fine qui aide les charges générées par la lumière à s’échapper et à être récoltées sous forme d’électricité. L’étude renverse également l’hypothèse simpliste selon laquelle un additif agit principalement avec le matériau auquel il ressemble le plus ; son efficacité dépend plutôt d’un équilibre subtil d’attractions avec tous les composants. Cet éclairage conceptuel devrait aider les chercheurs à concevoir d’encore meilleurs additifs et à pousser les panneaux solaires organiques imprimés et légers vers les efficacités nécessaires pour l’alimentation quotidienne.

Citation: Cao, D., Zhong, L., Sun, Z. et al. Allylrhodanine-processed all-small-molecule organic solar cell achieves an 18.43% efficiency breakthrough. Nat Commun 17, 2105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68924-0

Mots-clés: cellules solaires organiques, photovoltaïque à petites molécules, contrôle de la morphologie, additifs solides, panneaux solaires flexibles