Un dopage à la vitamine C améliore la stabilité des cellules solaires organiques inversées

D’après pv magazine International

Une équipe de chercheurs de l’Université du Danemark du Sud (SDU) a travaillé sur les rendements de conversion de puissance pour les cellules solaires organiques (OPV) fabriquées avec des matériaux accepteurs nonfullerène (NFA) avec des améliorations de la stabilité. Ils ont sélectionné l’acide ascorbique, communément appelé vitamine C, et l’a utilisé comme couche de passivation entre une couche de transport d’électrons (ETL) en oxyde de zinc (ZnO) et la couche photoactive de cellules OPV NFA fabriquées avec un empilement de couches inversées et un polymère semi-conducteur (PBDB-T:IT-4F).

Les scientifiques ont construit la cellule avec une couche d’oxyde d’indium-étain (ITO), la couche de transport d’électrons ZnO, la couche de vitamine C, l’absorbeur PBDB-T:IT-4F, une couche d’oxyde de molybdène (MoOx) sélective des porteurs et un contact métallique en argent (Ag). La cellule a été présentée dans l’article “Vitamin C for Photo-Stable Non-fullerene-acceptor-Based Organic Solar Cells“, publié dans ACS Applied Material Interfaces. Le premier auteur de l’article est Sambathkumar Balasubramanian, du CAPE de SDU. L’équipe comprenait des chercheurs de SDU et de l’université Rey Juan Carlos.

Le groupe a constaté que l’acide ascorbique produit un effet photostabilisant, indiquant que l’activité antioxydante atténue les processus de dégradation résultant de l’exposition à l’oxygène, à la lumière et à la chaleur. Les tests, tels que l’absorption ultraviolette-visible, la spectroscopie d’impédance, les mesures de tension et de courant dépendant de la lumière, ont également révélé que la vitamine C réduit le photoblanchiment des molécules de NFA et supprime la recombinaison des charges, selon la recherche.

Leur analyse a montré qu’après 96 heures de photodégradation continue, les dispositifs encapsulés contenant la couche intermédiaire de vitamine C conservaient 62 % de leur valeur d’origine, les dispositifs de référence n’en conservant que 36 %. Les résultats ont également montré que les gains de stabilité ne se sont pas faits au détriment de l’efficacité. Le dispositif champion a atteint un rendement de conversion d’énergie de 9,97 %, une tension en circuit ouvert de 0,69 V, une densité de courant en court-circuit de 21,57 mA/cm2 et un facteur de remplissage de 66 %. Les dispositifs de référence ne contenant pas de vitamine C ont présenté un rendement de 9,85 %, une tension en circuit ouvert de 0,68 V, un courant de court-circuit de 21,02 mA/cm2 et un facteur de remplissage de 68 %.

Interrogée sur le potentiel de commercialisation et l’extensibilité, Vida Engmann, qui dirige un groupe au Center for Advanced Photovoltaics and Thin-Film Energy Devices (SDU CAPE), a déclaré à pv magazine : « Nos dispositifs dans cette expérience mesuraient 2,8 mm2 et 6,6 mm2, mais ils peuvent être mis à l’échelle dans notre laboratoire roll-to-roll au SDU CAPE, où nous fabriquons régulièrement des modules OPV ».

Elle insiste sur le fait que la méthode de fabrication peut être mise à l’échelle, soulignant que la couche interfaciale est un « composé peu coûteux qui est soluble dans les solvants habituels, de sorte qu’il peut être utilisé dans un processus de revêtement de rouleau à rouleau comme le reste des couches » dans une cellule OPV.

Vida Engmann voit un potentiel pour les additifs au-delà de l’OPV dans d’autres technologies de cellules de troisième génération, telles que les cellules solaires à pérovskite et les cellules solaires à colorant (DSSC). « D’autres technologies basées sur des semi-conducteurs organiques/hybrides, telles que les DSSC et les cellules solaires à pérovskite, présentent des problèmes de stabilité similaires à ceux des cellules solaires organiques, et il y a donc de fortes chances que les additifs puissent contribuer à résoudre les problèmes de stabilité de ces technologies également », a-t-elle ajouté.

Pour l’avenir, l’équipe prévoit de poursuivre ses recherches sur les méthodes de stabilisation faisant appel à des antioxydants d’origine naturelle. « À l’avenir, nous allons poursuivre nos recherches dans cette direction », a conclu Vida Engmann en faisant référence à des recherches prometteuses sur une nouvelle classe d’antioxydants.