Le processus de synthèse augmente les performances des cellules solaires pérovskites à un niveau proche des normes de commercialisation

L’énergie solaire est non seulement la technologie énergétique qui connaît la croissance la plus rapide de l’histoire récente, mais aussi l’une des sources d’énergie les moins chères et la plus efficace en termes de réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Une étude de l’Université Rice présentée en couverture du Science décrit un moyen de synthétiser l'iodure de plomb formamidinium (FAPbI₃) – le type de cristal actuellement utilisé pour fabriquer les cellules solaires pérovskites les plus efficaces – en films photovoltaïques ultrastables et de haute qualité. L’efficacité globale du FAPbI résultant₃les cellules solaires ont diminué de moins de 3 % sur plus de 1 000 heures de fonctionnement à des températures de 85 degrés Celsius (185 Fahrenheit).

“À l'heure actuelle, nous pensons que c'est l'état de l'art en termes de stabilité”, a déclaré Aditya Mohite, ingénieur chez Rice, dont le laboratoire a progressivement amélioré la durabilité et les performances des pérovskites au cours des dernières années. “Les cellules solaires à pérovskite ont le potentiel de révolutionner la production d'énergie, mais parvenir à une stabilité à long terme constitue un défi de taille.”

Avec cette percée la plus récente, Mohite et ses collaborateurs ont franchi une étape cruciale vers la commercialisation du photovoltaïque à base de pérovskite. La clé était d'”assaisonner” le FAPbI₃solution précurseur avec une pincée de pérovskites bidimensionnelles (2D) spécialement conçues. Ceux-ci ont servi de modèle guidant la croissance de la pérovskite en vrac/3D, offrant une compression et une stabilité supplémentaires à la structure du réseau cristallin.

“Les cristaux de pérovskite se brisent de deux manières : chimiquement, en détruisant les molécules qui composent le cristal, et structurellement, en réorganisant les molécules pour former un cristal différent”, a déclaré Isaac Metcalf, étudiant diplômé en science des matériaux et en nano-ingénierie de Rice et auteur principal de l'ouvrage. l'étude.

“Parmi les différents cristaux que nous utilisons dans les cellules solaires, les plus stables chimiquement sont également les moins stables structurellement et vice versa. FAPbI ₃ se situe du côté structurellement instable de ce spectre. »

Bien que plus stable que FAPbI₃tant chimiquement que structurellement, les pérovskites 2D ne sont généralement pas très efficaces pour capter la lumière, ce qui en fait un mauvais choix de matériau pour les cellules solaires.

Cependant, les chercheurs ont émis l’hypothèse que les pérovskites 2D seraient utilisées comme modèles pour la croissance du FAPbI. ₃ les films pourraient conférer à ces derniers leur stabilité. Pour tester cette idée, ils ont développé quatre types différents de pérovskites 2D, dont deux avec une structure de surface presque impossible à distinguer de celle du FAPbI. ₃ et deux moins bien assortis – et les a utilisés pour créer différents FAPbI₃formulations de films.

“L'ajout de cristaux 2D bien adaptés a facilité la tâche du FAPbI ₃ “Cristaux à former, alors que les cristaux 2D mal appariés rendaient la formation plus difficile, validant ainsi notre hypothèse”, a déclaré Metcalf.

“FAPbI ₃ les films modélisés avec des cristaux 2D étaient de meilleure qualité, montrant moins de désordre interne et présentant une réponse plus forte à l'éclairage, ce qui se traduisait par une efficacité plus élevée.

Les modèles de cristaux 2D n'ont pas seulement amélioré l'efficacité du FAPbI ₃ cellules solaires mais aussi leur durabilité. Alors que les cellules solaires sans cristaux 2D se sont considérablement dégradées après deux jours de production d'électricité à partir de la lumière du soleil dans l'air, les cellules solaires avec des modèles 2D n'ont pas commencé à se dégrader même après 20 jours. En ajoutant une couche d'encapsulation aux cellules solaires modélisées en 2D, la stabilité a été encore améliorée à des échelles de temps proches de la pertinence commerciale.

Ces découvertes pourraient avoir un impact transformateur sur les technologies de récupération de la lumière ou photovoltaïques, en réduisant davantage les coûts de fabrication et en permettant la construction de panneaux solaires avec une structure simplifiée, plus légère et plus flexible que leurs homologues à base de silicium.

“Les pérovskites sont solubles en solution, vous pouvez donc prendre l'encre d'un précurseur de pérovskite et l'étaler sur un morceau de verre, puis la chauffer et vous obtenez la couche absorbante pour une cellule solaire”, a déclaré Metcalf.

“Comme vous n'avez pas besoin de températures très élevées – les films de pérovskite peuvent être traités à des températures inférieures à 150 degrés Celsius (302 Fahrenheit) – en théorie, cela signifie également que les panneaux solaires en pérovskite peuvent être fabriqués sur des substrats en plastique ou même flexibles, ce qui pourrait réduire davantage les coûts. “.

Bien qu’il s’agisse du semi-conducteur le plus utilisé dans les cellules photovoltaïques, le silicium nécessite des processus de fabrication plus gourmands en ressources que ceux des alternatives émergentes. Parmi ceux-ci, les pérovskites aux halogénures se distinguent par leurs rendements fulgurants, qui sont passés de 3,9 % en 2009 à plus de 26 % actuellement.

“Il devrait être beaucoup moins cher et moins gourmand en énergie de fabriquer des panneaux solaires en pérovskite de haute qualité par rapport aux panneaux en silicium de haute qualité, car le traitement est bien plus facile”, a déclaré Metcalf.

“Nous devons de toute urgence faire évoluer notre système énergétique mondial vers une alternative sans émissions”, a-t-il ajouté, en soulignant les estimations du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat des Nations Unies qui “constituent de solides arguments en faveur de l'énergie solaire comme alternative aux combustibles fossiles”.

Mohite a souligné que les progrès dans les technologies et les infrastructures de l'énergie solaire sont essentiels pour atteindre l'objectif d'émissions de gaz à effet de serre d'ici 2030 et empêcher une augmentation de 1,5 degré Celsius des températures mondiales, ce qui « nous mettrait alors sur la bonne voie pour atteindre zéro émission nette de carbone d'ici 2050 ». “

“Si l'électricité solaire ne se produit pas, aucun des autres processus qui dépendent des électrons verts du réseau, tels que les processus thermochimiques ou électrochimiques pour la fabrication de produits chimiques, ne se produira”, a déclaré Mohite. “Le photovoltaïque est absolument crucial.”

Mohite est professeur administrateur William M. Rice de Rice, professeur de génie chimique et biomoléculaire et directeur pédagogique de la Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability. Outre Metcalf, Siraj Sidhik, ancien élève du doctorat de Rice, est l'un des principaux auteurs de l'étude.

“Je voudrais donner beaucoup de crédit à Siraj, qui a lancé ce projet sur la base d'une idée théorique du professeur Jacky Even de l'université de Rennes”, a déclaré Mohite. “Je voudrais également remercier nos collaborateurs des laboratoires nationaux et de plusieurs universités aux États-Unis et à l'étranger dont l'aide a été déterminante dans ce travail.”