Cellules solaires organiques à base d'accepteur non fullerène avec un rendement de 15% et une durée de vie de 10 ans – NFA-15

Pour atteindre ces objectives, le projet NFA-15 vise à la fois la synthèse de NFA permettant d’augmenter l’absorption de la lumière dans la couche active tout en gardant le VOC élevé. En parallèle, des approches des mélanges ternaires seront étudiées permettant de réduire la recombinaison des charges dans la couche active. Cela ouvrira la possibilité de fabriquer des couches actives plus épaisses, plus absorbantes et plus faciles à imprimer sans que le rendement des cellules solaires soit diminué.

- Etude détaillée permettant d’élucider des mécanismes de dégradation et donc de comprendre la faible photo-stabilité des dérivés d’ITIC
- Premier NFA plus stable que les dérivés d’ITIC dont le rendement de 5% reste encore à améliorer
- 12% avec NFA (PCE13:ITIC-4F) en utilisant des solvants non chlorés comme l’o-xylène
- Développement d’encres à base de nanoparticules de NiOx dispersées dans l’isopropanol très performantes dans le but de remplacer le PEDOT:PSS

Resultat remarquable:

Prix du meilleur poster à la conférence internationale HOPV 2019 à Rome sur le travail de la stabilité des cellules solaires à base des dérivés d’ITIC

-Développement de dérivés de l’ITIC stables très performants

-Réalisation de cellules solaires à base de NFA fabriquées par « doctor blading » à l’air sur une surface de 1 cm2

-Application de l’approche des mélanges ternaires aux NFAs pour augmenter l’épaisseur de la couche active à 250 nm dans les cellules solaires tout en gardant un rendement supérieur à 12%

(voir www.cinam.univ-mrs.fr/newsite/anr-nfa15/index.php)

Articles :
1- Exploring charge transport in high temperature polymorphism of ITIC derivatives in simple processed unipolar bottom contact organic field-effect transistor. Y. A. Avalos-Quiroz, T. Koganezawa, P. Perkhun, E. Barulina, C.M. Ruiz, J. Ackermann, N. Yoshimoto, C. Videlot-Ackermann. Adv. Electon. Mat., 2022, 2100743.
2- Non-fullerene acceptors with an extended pi-conjugated core: Third components in ternary blends for high-efficiency, post-treatment-free, organic solar cells. Y. A. Avalos-Quiroz, O. Bardagot, Y. Kervella, C. Aumaître, L. Cabau, A. Rivaton, O. Margeat, C. Videlot-Ackermann, U. Vongsaysy, J. Ackermann, R. Demadrille. ChemSusChem, 2021, 14, 3502-3510. DOI: 10.1002/cssc.202101005.
3- Direct Correlation of Nanoscale Morphology and Device Performance to Study Photocurrent Generation in Donor-Enriched Phases of Polymer Solar Cells. S. Ben Dkhil, P. Perkhun, C. Luo, D. Müller, R. Alkarsifi, E. Barulina, Y.A. Avalos Quiroz, O. Margeat, S.T. Dubas, T. Koganezawa, D. Kuzuhara, N. Yoshimoto, C. Caddeo, A. Mattoni, B. Zimmermann, U. Würfel, M. Pfannmöller, S. Bals,
J. Ackermann, C. Videlot-Ackermann. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 28404-28415. DOI: 10.1021/acsami.0c05884.

Présentations orales :
1- Recent progress in understanding and improving photostability of non-fullerene acceptor materials and corresponding polymer solar cells. Jörg Ackermann at International Workshop on Emerging Solar Energy Materials & Applications - Ile de Porquerolles (France),
30 mai-3 juin 2022 (Invited speaker).
2- Benchmarking the intrinsic photostability of non-fullerene acceptors
and corresponding donor polymers of high-efficiency polymer solar. Jörg Ackermann at nanoGe Spring meeting - 7-11 mars 2022 (online conference).
3- Optical and electrical characterizations of NFA based organic solar cell. A. K. Bharwal, Y. A. Avalos Quiroz, C.M. Ruiz, D. Duché, L. Escoubas, O. Margeat, C. Videlot Ackermann , J. Ackermann, J.J. Simon. DETECT DAY - Domaine Saint-Endréol (France) 25-26 November 2021.
4- New Non-Fullerene Acceptors with an Extended Pi-Conjugated Core in Binary and Ternary Blends for High-Efficiency Organic Solar Cells. Yatzil Avalos Quiroz, Olivier Bardagot, Yann Kervella, Cyril Aumaître, Lydia Cabau, Agnès Rivaton, Olivier Margeat, Christine Videlot-Ackermann, Uyxing Vongsaysy, Jörg Ackermann and Renaud Demadrille. nanoGe Fall Meeting - 21 octobre 2021 (online conference).
5- NFA Molecules with an extended pi-conjugated core: Synthesis, characterization, photovoltaic performances and stability analysis. Lydia Cabau, Y. Kervella; O. Bardagot; Y. Avalos; A. Rivaton; C.M. Ruiz; D. Duché; J.J. Simon; P. Perkhun; O. Margeat; C. Videlot-Ackermann; M. Bertrand; J. Ackermann and R. Demadrille. MRS-Fall meeting - Boston (USA) 1-6 December 2019.

Les cellules solaires à base de polymère (PSC) font partie des technologies les plus prometteuses en termes de cout et de simplicité de mise en œuvre par rapport aux autres technologies photovoltaïques existantes. Il existe encore, malheureusement, des limites dues à des efficacités de conversion de puissance faibles et à une source majeure d'instabilité liée à l'utilisation de dérivés du fullerène comme matériaux accepteurs. Au cours des deux dernières années, cependant, les cellules solaires polymères utilisant une nouvelle classe de matériaux accepteurs, appelés accepteurs non-fullerène (NFA), ont attiré une attention extrêmement élevée dans le domaine des PSC. En effet, une augmentation sans précédent de l'efficacité de la conversion de puissance de 6% à 12% en 18 mois, avec une démonstration supplémentaire de la dissociation rapide des excitons à faible force motrice, démontre un potentiel élevé de NFA pour pousser la technologie PSC pour les développements industriels. Dans le même temps, l'approche simple du mélange binaire donneur-accepteur commence à être largement dépassée par des approches de mélange multi-matériaux (mélanges ternaires), en démontrant le potentiel pour améliorer les trois paramètres photovoltaïques des cellules solaires organiques (augmentation de la densité de photocourant Jsc, ajustement de la tension de circuit ouvert Voc et depuis très récemment augmentation du facteur de forme FF). Dans ce contexte, l'objectif du projet NFA-15 est donc de développer de nouvelles molécules NFA hautement performantes ainsi que des approches de mélange ternaire conçues pour atteindre 15% en efficacité de conversion de puissance au niveau de laboratoire. En outre, le transfert des processus de laboratoire à l'impression industrielle des cellules PSC à base de NFA imprimées à l'air, avec une efficacité au niveau du module de 10% (8-9% après le burn-in), sera développé, ce qui constituera une étape essentielle vers une plus grande gamme d'applications des PSC dans l'industrie. Tous ces efforts pour accroître l'efficacité seront combinés avec une étude de stabilité pour évaluer et améliorer la durée de vie des cellules solaires à base de NFA pour atteindre une stabilité à long terme de 7 à 10 ans dans les produits.