Les cellules solaires à base de silicium dominent largement l’industrie photovoltaïque et représentent plus de 95% du marché mondial. Pourtant, leur processus de fabrication consomme beaucoup d’énergie en raison de la nécessité d’utiliser le silicium sous une forme ultrapure dérivée de la silice, conduisant à une emprunte énergétique importante, malgré des coûts aujourd’hui bas liés à une production à grande échelle dominée par la Chine. C’est pourquoi, de plus en plus de nouvelles technologies permettant de réduire le coût de fabrication des cellules solaires sont étudiées. Ces dernières années, les cellules solaires organiques, utilisant des polymères et molécules imprimables à bas coûts, sont devenues très attrayantes pour la recherche en raison de leurs avantages tels que leur emprunte énergétique réduite, leur flexibilité, leur facilité d’intégration et leur absence de toxicité.

Pourtant, une fraction importante de l’énergie et du coût dépensés pour la fabrication des cellules solaires organiques est associée à l’électrode transparente, qui est généralement basé sur de l’oxyde d’indium-étain (ITO). La fabrication de l’ITO mobilise en effet une technique de dépôt sous vide et à haute température, et l’indium est de plus un matériau rare, difficile à extraire et produit en faible volume à l’échelle mondial. Il est donc nécessaire de développer des solutions de remplacement.

Dans ce contexte, des équipes de chercheurs de l’Institut XLIM de Limoges et de l’ICPEES (Institut de Chimie et Procédés pour l’Energie, l’Environnement et la Santé) de Strasbourg ont travaillé sur le développement d’électrodes à nanofils d’argent (AgNW) intégrées dans des cellules solaires organiques qui constituent l’une des meilleures alternatives à l’ITO en raison de leurs excellentes propriétés électriques, optiques et mécaniques. Ce projet, qui a bénéficié du soutien du LABEX ∑-LIM, a démontré que l’incorporation de nanofils d’argent entre deux couches de nanoparticules de ZnO (ZnONP) permet d’obtenir des électrodes transparentes aux performances optiques et électriques supérieures à celles de l’ITO.

Les chercheurs d’XLIM ont ainsi développé une architecture d’électrode de type ZnONPs/AgNWs/ZnONPs, qu’ils ont combinée à une couche active organique référence (PF2:PC70BM), pour démontrer des composants photovoltaïques organiques efficaces.. Cela a permis de démontrer une absorption optique accrue de la couche active, liée à l’excellente transparence de l’électrode à nanofils. A travers des phénomènes de résonance plasmonique, mis en évidence au travers de mesures réalisées par spectroscopies optiques, une amélioration d’environ 20% du photocourant et du rendement de conversion de puissance global des cellules a été observée par rapport à la référence à base d’ITO.

Les composants obtenus montrent finalement une excellente reproductibilité. Il a ainsi été démontré que les électrodes à base de nanofils d’argent constituent une alternative prometteuse en raison de leurs excellentes propriétés optiques, électriques et mécaniques : transparence, conductivité et flexibilité. Elles ont le potentiel d’adresser de nombreuses applications dans des domaines variés, tels que pour la détection et l’émission de lumière (photodétecteurs, conversion d‘énergie, diodes électroluminescentes pour l’éclairage ou l’affichage, etc.).

Légende. a) Spectres d’absorption de la couche active avec les électrodes ITO et ZAZ ; b) spectres d’absorption d’une fine couche de 35 nm de PF2 sur ZAZ et ITO/ZnO ; c) spectres IPCE des cellules solaires organiques avec les électrodes ITO et ZAZ et courant calculé associé sous AM1. 5G (ZAZ : 17,33 mA cm-2 ; ITO : 14,09 mA cm-2) ; d) courbes J(V) des cellules solaires organiques avec électrodes ITO et ZAZ ; e) spectres PL du PF2 sur électrodes ITO et ZAZ ; f) spectres TRPL du PF2 sur électrodes ITO et ZAZ. La longueur d’onde d’excitation est de 377 nm pour la PL et la TRPL ; nous avons également effectué une déconvolution qui inclut la réponse de l’équipement.

Informations relatives à la publication

Journal : RRL Solar – Volume 7, Issue 2

Date de publication : Janvier 2023

Auteurs : Issoufou Ibrahim Zamkoye (Institut XLIM, UMR 7252 CNRS/Université de Limoges, Limoges, France), Johann Bouclé (Institut XLIM, UMR 7252 CNRS/Université de Limoges, Limoges, France), Nicolas Leclerc (Institut de Chimie et Procédés pour l’Energie, l’Environnement et la Santé (ICPEES), UMR 7515 CNRS/Université de Strasbourg, Strasbourg, France), Bruno Lucas (Institut XLIM, UMR 7252 CNRS/Université de Limoges, Limoges, France), Sylvain Vedraine (Institut XLIM, UMR 7252 CNRS/Université de Limoges, Limoges, France)

Lien : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202200756