Des interactions supramoléculaires inter-chaînes propulsent des cellules solaires organiques à près de 21 % d’efficacité

Pourquoi cette percée solaire est importante

Les panneaux solaires fabriqués à partir de plastiques plutôt que de silicium rigide peuvent être légers, flexibles et même transparents, idéaux pour alimenter des appareils, des fenêtres et des surfaces courbes. Mais ces cellules solaires organiques peinent à égaler l’efficacité des meilleurs panneaux actuels parce qu’une partie de l’énergie qu’elles absorbent s’échappe discrètement sous forme de chaleur. Cette étude montre qu’en remodelant soigneusement les petites chaînes latérales des molécules organiques, on peut maîtriser cette perte d’énergie cachée et pousser les cellules solaires flexibles près de 21 % d’efficacité, rivalisant avec des technologies plus traditionnelles.

Produire de meilleurs matériaux solaires plastiques

Les cellules solaires organiques reposent sur des mélanges de molécules à base de carbone qui absorbent la lumière et séparent les charges. Les auteurs se sont concentrés sur une famille de molécules « accepteur » qui s’associent à un polymère donneur appelé D18. Dans les conceptions standard, ces accepteurs portent des chaînes latérales souples qui facilitent leur dissolution et leur traitement, mais leur permettent aussi de vibrer et d’osciller. Ces mouvements se couplent aux charges en mouvement et favorisent la dissipation d’énergie sous forme de chaleur. L’équipe a conçu un nouvel accepteur, nommé S-Cb, dont les chaînes latérales incluent un petit anneau contraint de quatre carbones appelé cyclobutane. Cet anneau est relativement rigide et plat, il rigidifie donc la molécule et modifie subtilement la manière dont les matériaux se packent en film.

Réduire l’énergie perdue à l’intérieur du film

Pour vérifier si la conception plus rigide aidait réellement, les chercheurs ont comparé l’émission et l’absorption de lumière de S-Cb avec un accepteur de pointe appelé L8-BO. Les mesures en solution et en films minces montrent que S-Cb perd légèrement moins d’énergie lors de la relaxation des états excités, et que son spectre d’émission est plus étroit, deux signes que moins de voies vibrationnelles sont disponibles pour évacuer l’énergie. La température de transition vitreuse de S-Cb est plus élevée, indiquant un matériau plus rigide. Des études par rayons X ont aussi révélé que S-Cb forme des couches plus ordonnées, et la calorimétrie a montré qu’il a une tendance plus marquée à cristalliser. Ensemble, ces tests indiquent que l’anneau cyclobutyle rend le matériau plus rigide et mieux organisé, ce qui affaiblit le couplage indésirable entre électrons et vibrations moléculaires.

Permettre aux molécules de s’agrafer

Le comportement le plus marquant est apparu lorsque S-Cb a été mélangé à L8-BO dans un dispositif ternaire contenant également le polymère D18. Des simulations informatiques et une analyse cristallographique ont montré que lorsque S-Cb et L8-BO sont présents en quantités égales, leurs chaînes latérales différentes peuvent s’emboîter dans une disposition de « serrage ». L’anneau presque plan du cyclobutyle sur S-Cb s’encastre dans les chaînes latérales fourchues de L8-BO, maintenu en place par de nombreux contacts faibles basés sur l’hydrogène. Cet emboîtement intermoléculaire attire les molécules dans une phase accepteur très compacte, homogène et semblable à un alliage. Dans cet état, les espaces libres dans le film se réduisent, le mouvement moléculaire est restreint, et les calculs montrent que la réorganisation vibrationnelle et l’attraction entre électrons et trous sont toutes deux réduites, aidant les charges à se séparer et à se déplacer au lieu de se recombiner.

Transformer la structure en meilleure performance

Les cellules solaires fabriquées uniquement avec S-Cb ont déjà de bonnes performances, atteignant presque 19,6 % de rendement de conversion d’énergie, comparable aux cellules basées uniquement sur L8-BO. Lorsque les deux accepteurs ont été mélangés avec D18, la performance dépendait fortement du rapport de mélange. À un mélange 1:1 de S-Cb et L8-BO, où l’effet de serrage est le plus fort, les cellules ont atteint 20,93 % d’efficacité, avec une valeur certifiée de 20,74 %. Des tests optiques et électriques détaillés ont montré qu’à ce point optimal, les dispositifs combinent une forte absorption de la lumière, un transport de charge équilibré, une recombinaison plus lente et des pertes d’énergie non radiatives plus faibles. La microscopie à l’échelle nanométrique a confirmé un réseau finement entremêlé de régions donneuses et accepteurs avec des tailles de domaines bien assorties, favorisant à la fois la séparation des excitons et l’extraction des charges.

Ce que cela signifie pour les panneaux solaires futurs

Pour un non-spécialiste, le message clé est que de minuscules modifications des chaînes latérales des molécules organiques peuvent avoir un impact disproportionné sur la manière dont les charges se déplacent dans une cellule solaire. En ajoutant un petit anneau rigide, les chercheurs ont créé des molécules qui non seulement vibrent moins elles-mêmes mais agrippent aussi leurs voisines dans un réseau ordonné, réduisant la chaleur perdue et aidant les charges à s’échapper. Cette stratégie de « serrage moléculaire » a élevé les cellules solaires organiques flexibles à près de 21 % d’efficacité, suggérant une voie de conception pratique vers des panneaux fins et légers qui approchent la performance des meilleurs dispositifs en silicium d’aujourd’hui tout en offrant une bien plus grande polyvalence quant à leur emplacement et leur mode d’utilisation.

Citation: Gao, W., Hai, Y., Zeng, J. et al. Interchain supramolecular interactions drive nearly 21% efficiency organic solar cells. Nat Commun 17, 4590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71199-0

Mots-clés: cellules solaires organiques, chaînes latérales cyclobutyles, interactions supramoléculaires, réduction des pertes d’énergie, mélanges photovoltaïques ternaires