Cellules photovoltaiques auto structurées à forte absorption aux longueurs d'ondes infra rouge – CPA FALOIR

Le projet CPA-FALOIR s'inscrit dans une démarche de recherche pilotée par un chimiste organicien, Harald Bock, déjà bien installé dans le domaine des cellules photovoltaïques plastiques.
Bien que les rendements énergétiques soient encore bien faibles, le principal intérêt de ce type de dispositifs par rapport aux autres systèmes de conversion photovoltaïque, est sa souplesse mécanique qui permet de l'adapter sur des structures variées. En ce qui concerne, en revanche, le coût supposé modéré de sa production, les arguments probants font encore défaut.
Un des gages de réussite de ce type de recherche est la mise en place d'un couplage fort entre trois équipes aux compétences complémentaires : une équipe d'organiciens des cristaux liquides (CRPP, Pessac), une équipe de physicochimistes et physiciens des matériaux (LCC, Toulouse) et une équipe spécialisée dans la caractérisation optoélectronique et la mise en forme de dispositifs photovoltaïques (LGET, Toulouse). Il s'agit, certes, d'un parcours emprunté par d'autres groupes comme ceux d'Yves Geerts ou de Jean-François Nierengarten, pour ne citer que ces deux-là, mais le présent projet est remarquable par plusieurs aspects tout à fait originaux de son approche.
Pour améliorer les performances du dispositif photovoltaïque plastique, il s'agira ici d'assurer un bon transport de charges par autostructuration colonnaire du film moléculaire (ordre mésomorphe en colonnes induisant une forte mobilité de charges dans l'axe des colonnes) et par interdigitation des deux phases colonnaires non miscibles, celle du matériau accepteur et celle du matériau donneur (optimisation de la percolation des charges). Il s'agira, par ailleurs, de centrer le spectre d'absorption du dispositif sur l'infrarouge pour pouvoir proposer des cellules incorporables dans des éléments transparents ou semi-transparents. Pour satisfaire à ces exigences, des métaux-bisdithiolènes neutres, complexes stables accepteurs d'électrons absorbant dans le proche infrarouge, seront synthétisés avec, greffées sur le cœur du complexe, des chaînes paraffiniques ramifiées (mélange de diastéréo-isomères) pour obtenir un ordre colonnaire à la température ambiante. Le choix des métaux-bisdithiolènes sera guidé par leur étude électrochimique et l'analyse de leurs spectres d'absorption UV/visible en solution et en phase solide sur film. Le matériau donneur sera constitué d'un arène-polycarboxylate colonnaire faisant partie de séries déjà largement étudiées par l'équipe du CRPP.
Un autre aspect original de ce projet est l'étude de la croissance d'un germe de mésophase colonnaire en orientation homéotrope sur un système modèle en film mince, orientation exigée par les cellules photovoltaïque et qui est à présent bien maîtrisée par recuit. Le contrôle de la croissance du germe, pendant laquelle les impuretés sont expulsées (le taux d'impuretés initial étant imposé dans le modèle), permettra en effet d'obtenir des régions d'une grande pureté le long des colonnes et donc un bien meilleur transport de charges dans cette direction.
Les compétences du CRPP dans l'étude structurale des mésophases seront mises à profit dans les études de structuration et de démixtion, avec une caractérisation électronique concomitante assurée par le LGET. Ce laboratoire étudiera également la structuration des cellules solaires binaires par une nouvelle technique, l'OVPD (Organic Vapor Phase Deposition), qui permet de bien contrôler la croissance des films organiques et d'augmenter substantiellement la percolation.
Enfin, le LGET se chargera de la caractérisation optoélectronique de ces cellules, en profitant des interactions fortes qui s'établiront entre les trois équipes pour guider les chimistes dans une modulation plus efficace des architectures moléculaires mises en jeu.
Au total, il s'agit d'un projet tout à fait cohérent, avec des aspects très originaux, et le programme de collaboration dans lequel il s'insère est, en outre, fort bien équilibré.