La chimie 3D augmente le rendement des pérovskites à 23,9 %

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Une collaboration internationale dirigée par des ingénieurs chimistes de l’EPFL Valais Wallis a résolu un problème qui réduit le rendement des pérovskites. Leur approche permet de fabriquer des panneaux solaires avec un rendement de 23,9 % et une stabilité opérationnelle de plus de 1 000 heures.

Les pérovskites sont des composés hybrides à base d’halogénures métalliques et de constituants organiques. Ils présentent un vaste potentiel dans de multiples applications, par exemple les éclairages à LED, les lasers et les photodétecteurs. Leur contribution majeure réside toutefois dans les cellules photovoltaïques, où elles sont sur le point de conquérir le marché et de remplacer leurs homologues au silicium.

Les pérovskites à base d’iodure de plomb font partie des principaux candidats pour des cellules photovoltaïques hautement efficaces et stables. Elles présentent de grandes capacités en tant que collecteurs de lumière. Mais leur rendement dépend beaucoup de leur fabrication, et un élément déterminant est l’élimination des défauts de leur surface collectrice de lumière.

Passivation et rendement des pérovskites

On utilise généralement une méthode appelée «passivation». Celle-ci consiste à recouvrir la surface des films de pérovskite de produits chimiques (halogénures d’alkylammonium) afin d’augmenter leur résistance et leur stabilité. Le processus ajoute une couche de pérovskite bidimensionnelle au-dessus du collecteur de lumière primaire à pérovskite, ce qui améliore la stabilité du dispositif.

Mais un problème se pose: la passivation forme des couches de pérovskite dites «dans le plan» qui ne «déplacent» pas aussi bien la charge électrique, notamment sous l’effet de la chaleur. C’est un inconvénient indéniable pour l’augmentation de la production et la commercialisation des panneaux solaires.

La chimie 3D à la rescousse

Dans une récente étude, des scientifiques dirigés par Mohammad Nazeeruddin, de la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL, ont trouvé un moyen de résoudre ce problème en traitant les panneaux solaires avec différents isomères d’un iodure utilisé pour fabriquer des pérovskites. En chimie, les isomères sont des composés qui ont la même formule moléculaire mais dont les atomes sont disposés différemment dans l’espace tridimensionnel.

Les scientifiques ont étudié l’énergie minimale requise pour former des pérovskites bidimensionnelles à partir de différents isomères de l’iodure PDEAI2 (phénylènediéthylammonium). Les isomères ont été conçus pour ce que les scientifiques appellent la «passivation sur mesure des défauts», ce qui signifie que leur effet de passivation sur les pérovskites a été très bien caractérisé à l’avance.

Cette approche s’est avérée très efficace pour éviter les effets négatifs de la passivation sur le rendement des pérovskites. Plus précisément, l’isomère de PDEAI2 le plus efficace était également le plus «stériquement encombré», un terme qui fait référence à un ralentissement de la réactivité chimique simplement en raison de la masse moléculaire du composé. En effet, l’encombrement stérique est souvent utilisé pour empêcher ou minimiser les réactions indésirables.

Les cellules photovoltaïques à pérovskites fabriquées avec cette méthode ont montré un rendement de 23,9 % et une stabilité opérationnelle supérieure à 1 000 heures. Les travaux ont également permis d’obtenir un rendement record de 21,4 % pour des modules à pérovskite d’une surface active de 26 cm2.

Liste des contributeurs

  • North China Electric Power University
  • Institut des sciences et ingénierie chimiques (ISIC) de l’EPFL
  • Université de technologie de Kaunas
  • Istituto Italiano di Tecnologia
  • Istituto CNR di Scienze e Tecnologie Chimiche «Giulio Natta» (CNR-SCITEC)
  • Centre de sciences et de technologies (Lituanie)
  • Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST)
  • Université de Pérouse
  • Prince Mohammad Bin Fahd University
  • CityU (Université municipale de Hong Kong)
Funding

Programme clé national de recherche et développement de la Chine

Fonds Démonstrateurs Énergie Valais

Programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne

Fondation nationale des sciences naturelles de Chine

Programme d’introduction des talents axés sur des disciplines aux universités

Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales

Conseil des bourses chinois 

Conseil lituanien de la recherche

Fondation MJJ

Ministero dell’Istruzione dell’Università e della Ricerca (MIUR)

Università degli Studi di Perugia

PON Ricerca e Innovazione 2014-2020

References

Cheng Liu, Yi Yang, Kasparas Rakstys, Arup Mahata, Marius Franckevicius, Edoardo Mosconi, Raminta Skackauskaite, Bin Ding, Keith G. Brooks, Onovbaramwen Jennifer Usiobo, Jean-Nicolas Audinot, Hiroyuki Kanda, Simonas Driukas, Gabriele Kavaliauskaite, Vidmantas Gulbinas, Marc Dessimoz, Vytautas Getautis, Filippo De Angelis, Yong Ding, Songyuan Dai, Paul J. Dyson, Mohammad Khaja Nazeeruddin. Tuning structural isomers of phenylenediammonium to afford efficient and stable perovskite solar cells and modules. Nature Communications 12, 6394 (04 November 2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26754-2