Aperçu des interactions moléculaires régissant la morphologie des hétérojonctions en volume dans des cellules solaires à haut rendement

Une nouvelle publication dans le département IMMF au sein de l’équipe FUN en collaboration avec l’Université de Cagliari (Italie) se focalise sur la modélisation de mélanges ternaires, à base de donneurs et d’accepteurs, largement utilisés comme approche pour optimiser l’efficacité photovoltaïque des couches actives dans des cellules solaires organiques. Les résultats montrent clairement que les conditions de non équilibre pendant la formation de ces mélanges sont cruciales pour déterminer la miscibilité et la morphologie nanostructurée finale.

Le contrôle de la morphologie à l’échelle nanométrique des hétérojonctions volumiques est l’un des paramètres clés pour l’impression de cellules solaires organiques à haut rendement. En particulier dans le cas des mélanges ternaires, où deux polymères donneurs sont mélangés avec un accepteur pour former une hétérojonction volumique avec séparation interne des porteurs de charge en cascade, la prévision des hétérojonctions résultantes est un défi majeur. En général, la formation d’hétérojonctions en volume est déterminée par la miscibilité du donneur et de l’accepteur dans le solvant et la cinétique de séchage de la couche imprimée pendant le processus de mélange. Dans ce travail, nous utilisons des simulations atomistiques de dynamique moléculaire pour modéliser au niveau moléculaire la miscibilité des polymères dans les mélanges ternaires en fonction de la densité et de la concentration relative. Le potentiel de ces méthodes est largement inexploré et la dépendance de la miscibilité à la concentration en fullerène ou à la densité du mélange n’est généralement pas prise en compte dans la littérature. Nous faisons un grand pas en avant au-delà de l’état de l’art en montrant que la miscibilité dépend de manière significative de la densité. En effet, lorsque les cellules à base de polymères sont réalisées à partir d’une solution, généralement par spin-coating un séchage rapide de la couche de mélange se produit engendrant une morphologie à l’échelle nanométrique dans des conditions de non équilibre. Les résultats montrent clairement que les conditions de non équilibre pendant le traitement sont cruciales pour déterminer la miscibilité et la morphologie finale. Cela a des implications technologiques importantes et peut encourager les expérimentateurs à mieux étudier les paramètres de dépôt pour obtenir des mélanges plus efficaces et plus stables.

Reference :

Theoretical insight on PTB7:PC₇₁BM, PTB7-Th:PC₇₁BM and Si-PCPDTBT:PC₇₁BM interactions governing blend nanoscale morphology for efficient solar cells

Claudia Caddeo, Alessio Filippetti, Andrea Bosin, Christine Videlot-Ackermann, Jörg Ackermann, Alessandro Mattoni.

Nano Energy, Vol. 82, April 2021, 105708.

DOI : 10.1016/j.nanoen.2020.105708

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