Nouveaux matériaux hybrides auto-organisés pour la conversion photovoltaïque

Résultats scientifiques

Les cellules photovoltaïques, constituants des panneaux solaires, et plus généralement tous les composants optoélectroniques qui fonctionnent avec la lumière, contiennent des semiconducteurs qui assurent la circulation des charges au sein du matériau. Optimiser le transport de ces charges est essentiel pour les performances de ces dispositifs. Dans ce contexte, des équipes de l’Institut parisien de chimie moléculaire (CNRS/Sorbonne Université) et de l’Institut de physique et chimie de Strasbourg (CNRS/Université de Strasbourg) viennent de synthétiser un nouveau type de matériau hybride (organique/inorganique) auto-organisé semiconducteur et photoactif, associant au sein d’une même architecture moléculaire des entités donneuses d’électrons et un nano-oxyde moléculaire accepteur. L’association inédite de ces deux sous-unités devrait permettre de favoriser le transport des charges au sein du matériau. Ces résultats sont à retrouver dans la revue Angewandte Chemie International Edition.

Les meilleurs panneaux solaires à base de cellules photovoltaïques organiques sont actuellement constitués de mélanges hétérogènes de donneurs et d'accepteurs d’électrons moléculaires, appelés semi-conducteurs, sous forme de couches minces pour leur insertion dans des dispositifs. Le contrôle de l'organisation de ces entités dans ces semi-conducteurs est un point clé de l’amélioration de leurs performances optoélectroniques. En effet, la réalisation de tels matériaux présentant des sous-domaines donneurs d’électrons et d’autres accepteurs d’électrons bien séparés pour faciliter leur circulation dans le matériau, et donc leur récupération sous forme de courant électrique, reste un défi car ces structures ont plutôt tendance à s'appareiller du fait de leur complémentarité électronique.

Ce défi vient d’être relevé par des scientifiques de l’Institut parisien de chimie moléculaire (CNRS / Sorbonne Université) et l’Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (CNRS / Université de Strasbourg)* qui viennent de développer un nouveau matériau hybride semi-conducteur mésomorphe, état de la matière intermédiaire entre l'état amorphe et l'état cristallin. Au sein d’une même architecture moléculaire, les équipes sont parvenues à associer des entités organiques donneuses d’électrons à un nano-oxyde moléculaire appelé polyoxometallate (POM). Le caractère antagoniste du POM (ionique) et du donneur organique (hydrophobe) conduit à la nanoségrégation des unités donneuses et acceptrices et au caractère mésomorphe** du matériau. Cet état mésomorphe est particulièrement intéressant pour la mise en forme du matériau en couches minces dans de futurs dispositifs optoélectroniques et ouvre la voie à l’amélioration de leurs performances.

* En collaboration avec le laboratoire de Spectroscopie pour les interactions, la réactivité et l'environnement (CNRS/Université de Lille), l’Institut Lavoisier (CNRS/Université Paris-Saclay) et le Center for organic photonics and electronics research (Kyushu University, Japan).

** Etat de la matière intermédiaire entre l’état amorphe et l’état cristallin.

image izzet
© Guillaume Izzet

Référence

X. Zhu, C. Hessin, A. Salamé, L. Sosa-Vargas, D. Kreher, C. Adachi, A. Proust, P. Mialane, J. Marrot, A. Bouchet, M. Sliwa, S. Méry, B. Heinrich, F. Mathevet & G. Izzet

Photoactive Organic/Inorganic Hybrid Materials with Nanosegregated Donor–Acceptor Arrays

Angewandte Chemie International Edition 2021

https://doi.org/10.1002/anie.202014319

Contact

Guillaume Izzet
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire
Fabrice Mathevet
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire
Benoit Heinrich
Ingénieur à l'Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Anne-Valérie Ruzette
Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS
Christophe Cartier dit Moulin
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC