Deux échantillons de cellules solaires de laboratoire, un (à droite) avec un film protecteur absorbant le plomb appliqué à l'arrière. Crédit :Université du Nord de l'Illinois
Des chercheurs de la Northern Illinois University et du National Renewable Energy Laboratory (NREL) du département américain de l'Énergie (DOE) à Golden, Colorado, rapportent aujourd'hui (19 février) dans le journal La nature sur une percée potentielle dans le développement de cellules solaires hybrides à pérovskite.
Considérées comme des étoiles montantes dans le domaine de l'énergie solaire, Les cellules solaires à pérovskite convertissent la lumière en électricité. Elles sont potentiellement moins chères et plus simples à produire que les cellules solaires traditionnelles à base de silicium et, à petite échelle en laboratoire au moins, ont démontré des niveaux d'efficacité comparables. Mais des défis clés demeurent avant qu'ils ne puissent devenir une technologie commerciale compétitive.
Un défi majeur est l'utilisation du plomb. La plupart des cellules solaires à pérovskite hybrides les plus performantes contiennent du plomb soluble dans l'eau, soulevant des inquiétudes quant aux fuites potentielles des cellules endommagées.
Dirigé par Tao Xu de NIU et Kai Zhu de NREL, une équipe de scientifiques a développé une technique pour séquestrer le plomb utilisé pour fabriquer des cellules solaires à pérovskite et minimiser les fuites toxiques potentielles en appliquant des films absorbant le plomb à l'avant et à l'arrière de la cellule solaire.
"Le problème de la toxicité du plomb a été l'un des plus épineux, défis du dernier kilomètre dans le domaine des cellules solaires pérovskites, " dit Xu, un professeur de chimie NIU. "Nous pensons que nous avons un remède très prometteur à ce problème - et cela pourrait changer la donne.
Xun Li, chercheur en cellules solaires de la NIU (à gauche), un étudiant diplômé en chimie et biochimie, et Tao Xu, professeur de chimie et de biochimie. Crédit :Université du Nord de l'Illinois
"En cas de cellule endommagée, notre appareil capte la grande majorité du plomb, l'empêchant de s'infiltrer dans les eaux souterraines et les sols. Les films que nous utilisons sont insolubles dans l'eau."
Dans des conditions de graves dommages aux cellules solaires dans un environnement de laboratoire, les films absorbant le plomb ont séquestré 96% des fuites de plomb, disaient les scientifiques. Leurs expériences indiquent en outre que les couches absorbant le plomb n'ont pas d'impact négatif sur les performances de la cellule ou la stabilité de fonctionnement à long terme.
Les cellules solaires à pérovskite sont ainsi nommées car elles utilisent une classe de structures cristallines similaires à celles trouvées dans le minéral connu sous le nom de pérovskite. Le composé à structure pérovskite contenu dans ces cellules solaires est le plus souvent un matériau hybride organique-inorganique à base d'halogénure de plomb.
Les scientifiques ont commencé à étudier ces structures cristallines pour une utilisation dans les cellules solaires il y a seulement une dizaine d'années et ont rapidement augmenté leur efficacité de conversion de l'énergie solaire. Alors que les cellules solaires traditionnelles au silicium sont produites avec des processus précis utilisant des températures élevées, Les pérovskites peuvent être fabriquées à l'aide de solutions chimiques à température ambiante.
La nouvelle "approche de séquestration sur l'appareil" peut être facilement intégrée aux configurations actuelles de cellules solaires à pérovskite, dit Xu.
Crédit :Université du Nord de l'Illinois
Un film transparent absorbant le plomb est appliqué sur un verre conducteur à l'avant de la cellule solaire. Le film de séquestration contient de puissants groupes acide phosphonique liant le plomb mais n'entrave pas la capture cellulaire de la lumière. Un film polymère moins cher mélangé avec des agents chélateurs de plomb est utilisé sur l'électrode métallique arrière, qui n'a pas besoin de transparence.
"Les matériaux sont prêts à l'emploi, mais ils n'ont jamais été utilisés à cette fin, " dit Xu. " La lumière doit entrer dans la cellule pour être absorbée par la couche de pérovskite, et le film recto agit en fait comme un agent antireflet, améliorer un peu la transparence."
Les tests de fuite de plomb comprenaient le martèlement et le bris du verre frontal des cellules de 2,5 x 2,5 cm, et gratter l'arrière des cellules solaires avec une lame de rasoir, avant de les plonger dans l'eau. Les films peuvent absorber la grande majorité du plomb dans les cellules gravement endommagées en raison de l'infiltration d'eau.
« Il convient de noter que l'approche de séquestration du plomb démontrée est également applicable à d'autres technologies à base de pérovskite telles que l'éclairage à semi-conducteurs, applications d'affichage et de capteur, " dit Zhu, un scientifique senior au NREL.
