Des scientifiques de NUST MISIS (Russie) et de l'Université de Rome Tor Vergata ont découvert qu'une quantité microscopique de carbure de titane bidimensionnel appelé MXene améliore considérablement la collecte des charges électriques dans une cellule solaire à pérovskite, augmentant l'efficacité finale au-dessus de 20%. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Matériaux naturels .

Les cellules solaires à couche mince de pérovskite sont une nouvelle technologie prometteuse de sources d'énergie alternatives qui est activement développée dans le monde entier. L'un des avantages est un processus de production simple et peu coûteux :les cellules solaires à pérovskite peuvent être imprimées à partir d'une solution sur des imprimantes spéciales à jet d'encre ou à fente sans utiliser de processus à haute température/vide comme pour les cellules au silicium traditionnelles. Un autre avantage est la possibilité de fabrication sur des substrats plastiques souples, comme le polyéthylène téréphtalate (PET) courant. Cette caractéristique permet l'utilisation de la pérovskite photovoltaïque (PV) dans l'intégration du bâtiment via le montage du film mince sur les murs et/ou dans différents autres emplacements, tels que les façades et les fenêtres en verre incurvé.

Étant une nouvelle technologie photovoltaïque, l'effort de la recherche internationale est de trouver la meilleure stratégie pour améliorer l'efficacité et la stabilité des cellules solaires à pérovskite. L'efficacité des cellules solaires à pérovskite est déjà comparable aux analogues au silicium qui dominent le marché (l'efficacité record pour une pérovskite est de 25,2 %, alors que pour les cellules au silicium il est de 26,7 %), cependant, Les cellules solaires à pérovskite sont encore instables en raison de plusieurs facteurs de dégradation internes. De nombreux groupes de recherche d'universités et de sociétés de R&D imposent actuellement des investigations et des études pour résoudre des problèmes de stabilité et d'amélioration de l'efficacité des cellules pérovskites. La plupart des approches concernent l'optimisation de la composition chimique de la pérovskite, stabilisation des interfaces des dispositifs et incorporation de nouveaux nanomatériaux.

Une équipe internationale de scientifiques du L.A.S.E. (Laboratoire d'Energie Solaire Avancée), Département Nanosystèmes Fonctionnels et Matériaux Hautes Températures, tous deux situés à NUST MISIS, Russie, et l'Université Tor Vergata de Rome, dirigé par le professeur Aldo Di Carlo, a proposé une approche originale pour concevoir des cellules solaires à pérovskite aux performances améliorées, à savoir l'utilisation de composés bidimensionnels de carbure de titane appelés MXenes pour doper la pérovskite.

"Nous découvrons que MXenes, en raison de leur structure bidimensionnelle unique, peut être utilisé pour ajuster les propriétés de surface de la pérovskite permettant une nouvelle stratégie d'optimisation pour cette cellule solaire de troisième génération, " commente le professeur Di Carlo.

Les cellules solaires en pérovskite à couche mince ont une structure sandwich, où les charges se déplacent de couche en couche à travers des interfaces et s'accumulent sélectivement au niveau des électrodes. Par conséquent, l'énergie solaire est convertie en courant électrique. En termes simples, les électrons doivent être transportés du film absorbant aux électrodes sans pertes pouvant être induites par les barrières énergétiques internes, et l'incorporation de MXene améliore ce processus.

"Pour améliorer l'efficacité des cellules solaires à pérovskite, nous devons optimiser la structure du dispositif et l'interface principale et les propriétés en vrac de chaque couche pour améliorer le processus d'extraction de charge vers les électrodes, " Danila Saranin, l'un des auteurs, chercheur au L.A.E.E. commentaires. "Pour résoudre ce problème, avec nos collègues italiens, nous avons réalisé une série d'expériences en incorporant une quantité microscopique de MXènes dans la cellule solaire à pérovskite. Par conséquent, nous avons obtenu une augmentation de l'efficacité des appareils de plus de 25 %, par rapport aux prototypes originaux."

Les MXènes ont été introduits séquentiellement dans différentes couches de la cellule solaire à pérovskite :une couche photo-absorbante, une couche de transport d'électrons à base de dioxyde de titane, et à l'interface entre eux. Après analyse des performances de sortie des appareils, nous avons découvert que la configuration la plus efficace est celle où les MXenes sont introduits dans toutes les couches, y compris l'interface. Les résultats expérimentaux sont confirmés par une modélisation appropriée des structures obtenues.

Ce travail est unique :c'est le premier rapport qui décrit non seulement une série d'expériences et les résultats obtenus, mais comprend également une explication claire des mécanismes se produisant dans la cellule solaire à pérovskite modifiée du point de vue physico-chimique.

"Le principal résultat de ce travail est l'identification des changements dans les propriétés électriques des semi-conducteurs, causée par l'introduction de MXenes. D'où, ce nouveau nanomatériau possède un grand potentiel pour l'utilisation dans la production à grande échelle, " Anna Pazniak, l'un des auteurs, ajoute.

Actuellement, l'équipe essaie de stabiliser l'appareil résultant et d'augmenter son efficacité. L'étude a été financée dans le cadre du Megagrant du gouvernement de la Fédération de Russie.