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Cellules solaires en pérovskite de haute performance et stables

Crédit: LPI-EPFL

Crédit: LPI-EPFL

Des chercheurs de l'EPFL du laboratoire de Michael Grätzel montrent comment des cellules solaires de perovskite stables, évolutives et efficaces peuvent être produites grâce à l'ingénierie moléculaire de modulateurs moléculaires multifonctionnels et en utilisant la résonance magnétique nucléaire à l'état solide pour étudier leur rôle dans les pérovskites pure-iodide double cation. Publié dans Nature Communications.

Image : Représentation schématique du concept MMM utilisant le génie moléculaire en conjonction avec la spectroscopie RMN à l'état solide pour faire progresser la recherche sur les cellules solaires à perovskite. L'arrière-plan montre des images de microscopie électronique à balayage en plan (gris) et des cartes cathodoluminescentes (rouge) de films de pérovskite pure (contrôle, gauche) et moléculairement modulée (SN, droite) à double ionisation et à iode pur.

Certains des principaux défis pour les cellules solaires hybrides organiques-inorganiques en pérovskite, l'une des technologies photovoltaïques à couche mince les plus prometteuses, sont leur stabilité limitée, leur évolutivité et leur ingénierie au niveau moléculaire. Des chercheurs du Laboratoire de photonique et interfaces (LPI) et du Laboratoire de résonance magnétique (LMR) de l'EPFL démontrent dans leur article à Nature Communications comment l'ingénierie moléculaire des modulateurs moléculaires multifonctionnels (MMM) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide peuvent permettre d'étudier leur rôle dans les pérovskites à double cation et iodide pur, et ainsi de mettre au point des cellules solaires stables, modulables et efficaces à la perovskite. 

Des efforts continus ont été déployés pour surmonter certaines des limites associées aux cellules solaires à pérovskite en utilisant des additifs organiques, mais leur rôle microscopique dans la structure de la pérovskite était surtout spéculatif. L'objectif de l'équipe dirigée par le professeur Grätzel (LPI), en collaboration avec le groupe du professeur Lyndon Emsley (LMR), était de relever ces défis par la conception moléculaire rationnelle en conjonction avec la RMN à l'état solide, comme une technique unique de sondage des interactions dans le matériau perovskite au niveau atomique. 

L'équipe a conçu une série de molécules organiques dotées de fonctions spécifiques qui agissent comme modulateurs moléculaires (MM), qui interagissent avec la surface de la perovskite par des interactions non covalentes, comme la liaison hydrogène ou la coordination métallique. Bien que la liaison hydrogène puisse affecter la qualité électronique du matériau, la coordination avec les sites de cations métalliques pourrait assurer la suppression de certains défauts structurels, tels que les ions métalliques sous-coordonnés. 

La combinaison de ces deux caractéristiques a permis d'aborder simultanément la performance et la stabilité, ce qui a conduit au développement d'un modulateur moléculaire multifonctionnel (MMM) capable d'interagir avec la surface de la perovskite et de supprimer les défauts. En conséquence, les cellules solaires en pérovskite ont montré des performances remarquables avec des rendements supérieurs à 20 % pour de grandes surfaces supérieures à 1 cm2, ce qui s'est accompagné d'une stabilité opérationnelle même dans des conditions ambiantes. 

Jovana V. Milić (LPI) et Dominik J. Kubicki (LMR), sont enthousiastes à l'idée d'appliquer cette approche à des MMM plus avancés pour des cellules solaires de perovskite stables, évolutives et efficaces à l'avenir, tout en espérant que cela stimulera une application plus large des techniques de caractérisation atomique, comme la RMN à l'état solide, pour en démêler les mécanismes opérationnels.

Financement

Fonds national suisse de la recherche scientifique

Programme de coopération scientifique et technologique Suisse - Russie

UE Horizon 2020

ERC PRINTSolar

Références

Dongqin Bi, Xiong Li, Jovana V. Milić, Dominik J. Kubicki, Norman Pellet, Jingshan Luo, Thomas LaGrange, Pierre Mettraux, Lyndon Emsley, Shaik M. Zakeeruddin, Michael Grätzel. Multifunctional molecular modulators for perovskite solar cells with over 20% efficiency and high operational stability. Nature Communications 9: 4482 (26 October 2018). DOI: DOI: 10.1038/s41467-018-06709-w