Les cellules solaires à pérovskite comme celle-ci, fabriquées par le groupe de Xiwen Gong, pourraient rendre l’énergie solaire moins chère et plus respectueuse de l’environnement, mais elles se dégradent plus rapidement que le silicium. Dans une étude publiée dans la revue Matter, l’équipe a découvert comment prolonger la durée de vie du film de pérovskite noire. Crédit : Zhengtao Hu, Gong Lab, Université du Michigan.
Les résultats pourraient permettre aux ingénieurs d’identifier systématiquement les molécules les plus efficaces pour prolonger la durée de vie des cellules solaires à pérovskite, en s’éloignant ainsi du recours à des méthodes d’essais et d’erreurs chronophages.
Une découverte à l’Université du Michigan fournit des informations clés pour prévenir la dégradation rapide de la pérovskite semi-conducteurs. Cette avancée pourrait potentiellement conduire à des cellules solaires deux à quatre fois moins chères que les panneaux solaires à couches minces actuels.
Les pérovskites peuvent également être combinées avec les semi-conducteurs à base de silicium qui prédominent dans les panneaux solaires actuels pour créer Cellules solaires « tandem » qui pourrait dépasser l’efficacité théorique maximale des cellules solaires au silicium.
« Les cellules solaires au silicium sont excellentes car elles sont très efficaces et peuvent durer très longtemps, mais leur rendement élevé a un coût élevé », a déclaré Xiwen Gong, professeur adjoint de génie chimique à l’UM. « Pour fabriquer du silicium de haute pureté, des températures supérieures à 1 000 degrés Celsius sont nécessaires. Sinon, l’efficacité ne sera pas aussi bonne.
Défis liés aux cellules solaires à pérovskite
La température élevée s’accompagne de coûts économiques et environnementaux plus élevés. Mais si les pérovskites peuvent être produites à des températures plus basses, elles se dégradent lorsqu’elles sont exposées à la chaleur, à l’humidité et à l’air. En conséquence, la durée de vie de la pérovskite est aujourd’hui trop courte pour être commercialement compétitive dans le domaine des panneaux solaires.
Les recherches de Gong visent à fabriquer des cellules solaires à pérovskite plus résistantes, et sa dernière étude publiée dans la revue Matter suggère que les molécules volumineuses « apaisant les défauts » sont les meilleures pour augmenter la stabilité et la durée de vie globale des pérovskites.
L’équipe de Xiwen Gong a conçu ces trois additifs moléculaires pour étudier l’impact de la taille et de la configuration d’un additif sur la stabilité des films de pérovskite, une classe de matériaux qui pourraient être utilisés pour fabriquer des cellules solaires à haut rendement et à faible coût. Les additifs peuvent empêcher les défauts – qui nuisent à l’efficacité des cellules solaires – de se développer au niveau des ruptures du réseau cristallin de pérovskite, appelés joints de grains. Le réseau de pérovskite est représenté par un réseau de losanges jaunes tandis que les sites de défauts sont représentés par des cercles pointillés bleu foncé. Les lignes noires en pointillés représentent les liaisons qui peuvent potentiellement se former entre la pérovskite et les additifs. La molécule la plus volumineuse couvre la plupart des défauts à la surface des grains de pérovskite tout en augmentant également la taille globale des grains au cours du processus de fabrication. Des grains de pérovskite plus gros entraînent une densité plus faible des joints de grains dans tout le film, ce qui réduit le nombre d’endroits où des défauts peuvent se former. Crédit : Carlos A. Figueroa Morales, Gong Lab, Université du Michigan.
Comprendre les défauts de la pérovskite
Les cristaux de pérovskite contiennent des atomes de plomb qui ne sont pas entièrement liés aux autres composants de la pérovskite. De tels « sites sous-coordonnés » sont des défauts souvent trouvés sur les surfaces cristallines et aux joints de grains où il y a une rupture dans le réseau cristallin. Ces défauts entravent le mouvement des électrons et accélèrent la désintégration du matériau pérovskite.
Les ingénieurs savent déjà que le mélange de molécules apaisantes dans les pérovskites peut aider à bloquer le fil sous-coordonné, empêchant ainsi la formation d’autres imperfections à haute température. Mais jusqu’à présent, les ingénieurs ne savaient pas exactement comment une molécule donnée affectait la résistance des cellules pérovskites.
« Nous voulions déterminer quelles caractéristiques des molécules améliorent spécifiquement la stabilité de la pérovskite », a déclaré Hongki Kim, ancien chercheur postdoctoral en génie chimique et l’un des premiers auteurs de l’étude.
Recherche sur les additifs pérovskites
Pour étudier le problème, l’équipe de Gong a créé trois additifs de formes et de tailles variées et les a ajoutés à de minces films de cristaux de pérovskite, capables d’absorber la lumière et de la convertir en électricité. Chaque additif contenait des éléments chimiques identiques ou similaires, ce qui faisait de la taille, du poids et de la disposition les principales propriétés qui les différenciaient.
Le doctorant Carlos Alejandro Figueroa Morales place un échantillon de film mince de pérovskite dans un spectromètre qui mesure les propriétés électroluminescentes des pérovskites. Les changements dans la façon dont les films de pérovskite émettent de la lumière lorsqu’ils sont fabriqués avec les différentes molécules additives peuvent révéler le nombre de défauts présents à l’intérieur de la pérovskite. Crédit : Zhengtao Hu, Gong Lab, Université du Michigan.
Ensuite, l’équipe a mesuré la force avec laquelle les différents additifs interagissaient avec les pérovskites et influençaient par conséquent la formation de défauts dans les films. Les molécules plus grosses en termes de masse adhèrent mieux à la pérovskite car elles possèdent davantage de sites de liaison qui interagissent avec les cristaux de pérovskite. En conséquence, ils avaient tendance à mieux prévenir la formation de défauts.
Mais les meilleurs additifs devaient également prendre beaucoup de place. Des molécules grosses mais fines ont donné lieu à des grains de pérovskite plus petits au cours du processus de fabrication. Les grains plus petits ne sont pas idéaux car ils créent également des cellules pérovskites avec plus de joints de grains ou plus de zones de formation de défauts. En revanche, des molécules volumineuses ont forcé la formation de grains de pérovskite plus gros, ce qui a réduit la densité des joints de grains dans le film.
Influence de la taille et de la forme des additifs
Chauffer les films de pérovskite à plus de 200 degrés Celsius a confirmé que des additifs volumineux aidaient les films à conserver davantage leur couleur noire d’ardoise caractéristique et à développer moins de défauts structurels.
« La taille et la configuration sont importantes lors de la conception d’additifs, et nous pensons que cette philosophie de conception pourrait être mise en œuvre dans diverses formulations de pérovskite pour améliorer encore la durée de vie des cellules solaires à pérovskite, des dispositifs électroluminescents et des photodétecteurs », a déclaré Carlos Alejandro Figueroa Morales, doctorant. étudiant en sciences et ingénierie macromoléculaires et l’un des premiers auteurs de l’étude.
Xiwen Gong est également professeur adjoint de génie électrique et informatique, de science et d’ingénierie des matériaux, de science et d’ingénierie macromoléculaires et de physique appliquée. La recherche a été financée par l’Université du Michigan et s’est appuyée sur un microscope électronique à balayage financé par la National Science Foundation. La co-auteure Nancy Muyanja a dirigé les mesures de microscopie au Michigan Center for Materials Characterization.
