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

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

Les cellules solaires à base de polymères ont vu leurs <br />performances passer de 6 à 13% entre 2015 et 2017 grâce à l’emploi <br />d’accepteurs non fullerène (NFAs). Le projet NFA-15 vise à <br />développer de nouveaux NFAs et une approche basée sur des <br />mélanges ternaires pour atteindre des performances de 15% à <br />l’échelle du laboratoire. Un transfert de la technologie NFA au niveau <br />industriel est visé pour obtenir des modules à 10%, soit 8-9% après <br />stabilisation, et une durée de vie de 7 à 10 ans.

Le projet NFA-15 vise à démontrer que des accepteurs non fullerène peuvent mener à une efficacité de 10 % pour des modules entièrement imprimés.

Les cellules solaires à polymère (PSC) sont des technologies <br />prometteuses pour la production d'énergie solaire photovoltaïque à <br />faible coût. Grâce à leur flexibilité, semi-transparence et leur <br />aspect de couleur les PSCs ne sont pas qu'intéressantes pour le <br />photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV), mais aussi comme <br />fournisseurs d'énergie uniques pour l'intérieure et les appareils <br />électroniques grand public. Des entreprises telles qu'ARMOR <br />commencent dès à présent à lancer leurs premiers produits sur ces <br />marchés. Des efficacités de conversion d'énergie (PCE) de plus de <br />16% ont été démontrées pour les PSCs en 2019 à l'échelle du <br />laboratoire, mais seulement 5% environ sont atteintes au niveau des <br />modules fabriqués par des processus industriels limitant leur <br />potentiel pour le marché PV. Par conséquent, le principal défi pour <br />les PSCs est maintenant d'accroître l'efficacité de la conversion de <br />l'énergie dans la production industrielle par R2R. Au cours des <br />quatre dernières années, de nouveaux accepteurs non fullerènes <br />(NFA) ont été mis au point, ce qui a permis d'accroître les PCE de <br />6% en 2015 à 16% en 2019. Les objectifs du projet <br />NFA-15 sont A : démonstration de PSCs basées sur des NFAs avec une <br />efficacité de 15% à l'échelle du laboratoire. B : Transfert de la <br />technologie NFA à une technologie d’impression à l'air avec une <br />efficacité au niveau du module de 10% (8 à 9% après <br />stabilisation). C : Sélection des matériaux pour atteindre une <br />durée de vie de 7 à 10 ans. L'objectif A vise à combinant de <br />nouveaux NFAs avec l'utilisation d'une approches basée sur des mélanges ternaires et <br />quaternaires. Pour l'objectif industriel B, la compatibilité des NFAs <br />avec les solvants non toxiques, une pureté et reproductibilité des <br />synthèses NFAs sont au centre des préoccupations. L'objectif d'une <br />durée de vie de 10 ans (objectif C) sera atteint en combinant les NFAs <br />avec des matériaux de type donneur sélectionnés et une <br />encapsulation à haute efficacité fournie par ARMOR.

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%

1. ICOE-2018, 14th International Conference on Organic Electronics - Bordeaux (France) Juin 2018. Poster presentation. Non-Acceptor-Fullerene based polymer solar cells with targeted efficiency of 15% and lifetime of 10 years.
Y. Malier, J.J. Simon,

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.

Coordinateur du projet

Monsieur Jörg Ackermann (Centre National de la Recherche Scientifique Délégation provence et Corse DR12 - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CINaM CNRS DR12 Centre National de la Recherche Scientifique Délégation provence et Corse DR12 - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille
IM2NP Institut des Matériaux, de Microélectronique et des Nanosciences de Provence
ICCF Institut de Chimie de Clermont-Ferrand
ARMOR
SYMMES Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Energie et la Santé

Aide de l'ANR 620 010 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 48 Mois

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