Rigidité de l’épine dorsale favorisant la délocalisation des trous et permettant une génération efficace de charges avec une perte de tension minimale dans les photovoltaïques organiques non-fullérène

Pourquoi de meilleurs panneaux solaires en plastique comptent

Les panneaux solaires fabriqués à partir de matériaux flexibles à base de carbone promettent des sources d’énergie légères, pliables et potentiellement très bon marché pour tout, des façades de bâtiments aux objets électroniques portables. Mais ces cellules solaires organiques dissipent encore plus d’énergie sous forme de chaleur que leurs homologues au silicium, notamment sous la forme de « perte de tension » qui limite la puissance électrique utile qu’elles peuvent fournir. Cet article explore un nouveau matériau de type plastique doté d’une épine dorsale exceptionnellement rigide qui aide les cellules solaires organiques à convertir la lumière du soleil en électricité de manière plus efficace, tout en gaspillant moins de tension que des dispositifs similaires.

Un nouveau type de plastique collecteur de lumière

Les chercheurs se concentrent sur une cellule solaire organique composée d’un mélange de deux ingrédients : un polymère à longue chaîne dénommé PTNT1-F qui cède des charges positives, et une molécule non-fullérène appelée Y12 qui accepte les charges négatives. Dans ces dispositifs, la lumière crée des paires électron–trou fortement liées qui doivent être séparées à l’interface donneur–accepteur pour générer un courant. Le problème est que réduire la différence d’énergie qui pilote cette séparation réduit habituellement le courant, même si cela aide à diminuer la tension perdue. PTNT1-F est conçu avec un système d’anneaux carbone-soufre rigide et étendu qui maintient ses états électroniques bien organisés, une caractéristique que l’équipe a supposée pouvoir permettre une séparation efficace des charges même lorsque cette force motrice est faible.

Haute puissance avec peu de perte d’élan

Lorsque PTNT1-F est mélangé avec Y12 dans une structure de cellule solaire standard, les dispositifs atteignent des efficacités de conversion de puissance supérieures à 18 %, comparables ou supérieures à celles des meilleures cellules organiques basées sur les polymères populaires D18 et PM6. De manière cruciale, les cellules à base de PTNT1-F réalisent cela tout en subissant une « perte de tension non radiative » exceptionnellement faible d’environ 0,18 volt seulement. Cette perte reflète la quantité d’énergie qui disparaît sous forme de chaleur plutôt que d’être émise sous forme d’une faible lumière ou récupérée comme travail électrique. Dans de nombreuses cellules organiques publiées, réduire cette perte s’est typiquement fait au prix d’un courant réduit. Ici, les auteurs montrent que PTNT1-F rompt cette tendance : son efficacité de génération de charges atteint environ 80 % de la limite théorique, le niveau le plus élevé rapporté à ce jour pour des cellules organiques opérant avec une perte de tension aussi faible.

Chaînes rigides qui restent ordonnées en mélange

Pour comprendre pourquoi ce matériau fonctionne si bien, l’équipe a étudié la manière dont ses longues chaînes moléculaires s’assemblent et comment leurs niveaux d’énergie sont distribués. La diffusion des rayons X et la spectroscopie avancée révèlent que lorsque PTNT1-F est mélangé avec Y12, l’étalement de ses niveaux d’énergie — la dite densité d’états — ne s’élargit pratiquement pas. En d’autres termes, le polymère conserve un haut degré d’ordre même dans le film composite complexe. En contraste, les polymères de référence D18 et PM6 montrent des signes évidents d’un désordre accru une fois mélangés, ce qui introduit davantage de « rugosité » énergétique et de sites de piégeage. Des mesures optiques montrent en outre que PTNT1-F présente une efficacité d’émission lumineuse relativement élevée et une décroissance non radiative limitée, des traits liés à son épine dorsale rigide qui restreint les mouvements internes où l’énergie pourrait être perdue sous forme de chaleur.

Comment la rigidité aide les charges à s’échapper

En zoomant sur le mécanisme, les auteurs soutiennent que la rigidité de PTNT1-F permet aux charges positives (trous) de se répartir le long de la chaîne au lieu de rester localisées. Des calculs de la masse effective des trous soutiennent ce scénario, indiquant que le polymère peut supporter des états électroniques étendus. Des mesures supplémentaires sensibles aux états pièges subtils à l’interface donneur–accepteur suggèrent que les mélanges à base de PTNT1-F présentent moins de pièges profonds que ceux basés sur D18 ou PM6. Ensemble, ces résultats impliquent qu’une fois qu’un trou est transféré de Y12 vers PTNT1-F, il peut rapidement se délocaliser le long d’une épine dorsale relativement lisse et ordonnée, ce qui facilite la séparation électron–trou avant leur recombinaison.

Leçons de conception pour les plastiques solaires de nouvelle génération

En termes simples, cette étude montre que redresser et rigidifier l’épine dorsale du polymère aide les cellules solaires organiques à obtenir « plus pour leur argent » : elles ont besoin de moins d’impulsion énergétique pour séparer les charges tout en produisant toujours un courant élevé, réduisant ainsi des pertes d’énergie qui freinaient depuis longtemps ces dispositifs. Le travail suggère que façonner soigneusement le squelette moléculaire central — sa symétrie, sa taille et l’alignement de ses anneaux le long de la chaîne — peut préserver l’ordre dans le mélange dense et favoriser la délocalisation des charges. Ces règles de conception pourraient guider le développement de futurs matériaux photovoltaïques plastiques qui combinent haute efficacité et faible perte de tension, rapprochant les panneaux photovoltaïques flexibles et légers d’une utilisation pratique à grande échelle.

Citation: Suruga, S., Mikie, T., Sato, Y. et al. Backbone rigidity promoting hole delocalization and enabling efficient charge generation with minimal voltage loss in nonfullerene organic photovoltaics. Commun Mater 7, 79 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01115-y

Mots-clés: cellules solaires organiques, semi-conducteurs polymères, ségrégation des charges, acceptors non-fullérène, efficacité photovoltaïque