Une base matérielle parfaite pour les semi-conducteurs organiques dans les cellules solaires
Photo: le professeur Wouter Maes et le docteur Jochen Vanderspikken
Une nouvelle étude menée par le groupe de recherche en chimie des matériaux de l'UHasselt et EnergyVille permettent pour la première fois de comprendre comment les défauts apparaissent dans les polymères conjugués, utilisés notamment dans les cellules solaires flexibles et les capteurs.
Les polymères ne sont pas encore utilisés de manière optimale
Les polymères sont des matériaux durables dont les applications potentielles sont nombreuses. Ils peuvent par exemple être utilisés dans des cellules solaires flexibles, des capteurs et des smartwatches.
"Mais comme ils présentent facilement des défauts, ils ne sont pas encore utilisés de manière optimale. Grâce à nos recherches, nous sommes en train de créer une feuille de route pour parvenir à la base matérielle parfaite pour les semi-conducteurs polymères", expliquent les professeurs Wouter Maes et Jochen Vanderspikken.
Polymères conjugués
Les polymères conjugués sont des matériaux (semi-)conducteurs constitués de longues chaînes de blocs identiques. En termes simples, les polymères conjugués les plus performants peuvent être comparés à une chaîne de boules rouges et bleues qui sont assemblées pour former une longue chaîne au sein de laquelle les signaux sont transmis. Ainsi, les polymères peuvent être utilisés comme conducteurs dans les cellules solaires, les capteurs ou les smartwatches, entre autres.
Comme ils sont constitués d'éléments de base tels que le carbone, l'oxygène et l'hydrogène, ils sont beaucoup plus durables que les semi-conducteurs inorganiques actuellement utilisés, qui sont fabriqués à partir de matières premières beaucoup plus rares.
"Pendant des années, lors de la fabrication de polymères conjugués, on supposait que si l'on mettait des boules rouges et bleues ensemble, elles s'alternaient harmonieusement dans la chaîne, un bloc bleu adhérant toujours à un bloc rouge", explique le Dr Jochen Vanderspikken, chercheur à l'imo-imomec UHasselt.
"Nos recherches menées en collaboration avec l'imec, la KU Leuven, la VUB, l'UMons, l'université de Birmingham et l'université de Stanford montrent pour la première fois que ce n'est pas toujours le cas et que, dans les polymères, il est même courant que des blocs de la même couleur se lient les uns aux autres, ce qui entraîne un fonctionnement moins efficace des polymères."
Des polymères où les blocs de même couleur se lient entre eux
Défauts visibles
C'est la première fois que ces défauts peuvent être visualisés efficacement et qu'un numéro peut leur être attribué. Les chercheurs ont utilisé un microscope moléculaire à effet tunnel qui a permis d'obtenir un aperçu sans précédent de la structure des semi-conducteurs organiques polymères.
Pour ce faire, Jochen Vanderspikken a passé sept mois dans la prestigieuse université américaine de Stanford, entre autres, avec le soutien du FWO et du Rotary Genk-Staelen.
L'importance de la structure chimique
"Grâce à cette recherche, nous pouvons montrer qu'il est important d'examiner la structure chimique pure des polymères conjugués, ce qui a été ignoré par le secteur pendant trop longtemps. Nous montrons maintenant que ces défauts existent et qu'ils jouent un rôle dans l'efficacité des polymères. Nous faisons ainsi un grand pas en avant pour rendre les polymères conjugués beaucoup plus largement disponibles", déclare le professeur Wouter Maes.
Pour la première fois, on peut visualiser des défauts dans les polymères (en rouge et bleu)
Une base matérielle parfaite
Car en plus des protocoles de détection des défauts, les chercheurs ont également travaillé sur une feuille de route pour éviter ces défauts à l'avenir.
"Pour simplifier, nous avons découvert que si on coupe un bloc bleu en deux et qu'on le place sur les côtés extérieurs d'une molécule rouge, on obtient toujours une belle chaîne de blocs rouges et bleus alternés comme base du polymère", explique le Dr Jochen Vanderspikken.
"Grâce à cette feuille de route, les chercheurs du monde entier peuvent désormais travailler à la fabrication de polymères conjugués identiques les uns aux autres, car cette reproductibilité était très difficile en raison des défauts apparus. Au final, la base de notre matériau est maintenant correcte."
La feuille de route des chercheurs vers une base parfaite pour les polymères
Cellules solaires et capteurs
Les chercheurs veulent maintenant utiliser cette base parfaite pour les polymères conjugués afin d'augmenter la taille des matériaux et de les utiliser dans des applications plus vastes telles que les cellules solaires flexibles, les détecteurs et les capteurs pour des applications médicales, entre autres.
Source: UHasselt