Une découverte des ingénieurs de l'Université Rice rapproche des cellules solaires à pérovskite bicouche efficaces et stables de la commercialisation. Les cellules ont une épaisseur d'environ un micron, avec des couches 2D et 3D. Crédit :Jeff Fitlow/Rice University
Les ingénieurs de l'Université Rice affirment avoir résolu une énigme de longue date en fabriquant des panneaux solaires stables et efficaces à partir de pérovskites aux halogénures.
Il a fallu trouver la bonne conception de solvant pour appliquer une couche supérieure 2D de composition et d'épaisseur souhaitées sans détruire la couche inférieure 3D (ou vice versa). Une telle cellule transformerait plus de lumière solaire en électricité que l'une ou l'autre couche seule, avec une meilleure stabilité.
L'ingénieur chimiste et biomoléculaire Aditya Mohite et son laboratoire de la George R. Brown School of Engineering de Rice ont rapporté dans Science leur succès dans la construction de cellules solaires 3D/2D minces qui offrent une efficacité de conversion de puissance de 24,5 %.
C'est aussi efficace que la plupart des cellules solaires disponibles dans le commerce, a déclaré Mohite.
"C'est vraiment bon pour les cellules bifaciales flexibles où la lumière entre des deux côtés et aussi pour les cellules en contact arrière", a-t-il déclaré. "Les pérovskites 2D absorbent les photons bleus et visibles, et le côté 3D absorbe le proche infrarouge."
Les pérovskites sont des cristaux avec des réseaux cubiques connus pour être des collecteurs de lumière efficaces, mais les matériaux ont tendance à être stressés par la lumière, l'humidité et la chaleur. Mohite et bien d'autres ont travaillé pendant des années pour rendre pratiques les cellules solaires à pérovskite.
La nouvelle avancée, a-t-il dit, supprime en grande partie le dernier obstacle majeur à la production commerciale.
La fabrication de cellules solaires à haut rendement avec des couches de pérovskites 2D et 3D par plusieurs procédés peut être simplifiée par des solvants qui permettent le dépôt en solution d'une couche sans détruire l'autre, selon une nouvelle recherche de l'Université Rice. Crédit :Jeff Fitlow/Rice University
"C'est important à plusieurs niveaux", a déclaré Mohite. "La première est qu'il est fondamentalement difficile de créer une bicouche traitée en solution lorsque les deux couches sont constituées du même matériau. Le problème est qu'elles se dissolvent toutes les deux dans les mêmes solvants.
"Lorsque vous placez une couche 2D sur une couche 3D, le solvant détruit la couche sous-jacente", a-t-il déclaré. "Mais notre nouvelle méthode résout ce problème."
Mohite a déclaré que les cellules de pérovskite 2D sont stables, mais moins efficaces pour convertir la lumière du soleil. Les pérovskites 3D sont plus efficaces mais moins stables. Leur combinaison intègre les meilleures caractéristiques des deux.
"Cela conduit à des rendements très élevés car maintenant, pour la première fois sur le terrain, nous sommes en mesure de créer des couches avec un contrôle énorme", a-t-il déclaré. "Cela nous permet de contrôler le flux de charge et d'énergie non seulement pour les cellules solaires, mais aussi pour les appareils optoélectroniques et les LED."
L'efficacité des cellules de test exposées à l'équivalent en laboratoire de 100% de lumière solaire pendant plus de 2 000 heures "ne se dégrade même pas de 1%", a-t-il déclaré. Sans compter un substrat de verre, les cellules avaient une épaisseur d'environ 1 micron.
Le traitement par solution est largement utilisé dans l'industrie et intègre une gamme de techniques - revêtement par centrifugation, revêtement par immersion, revêtement à la lame, revêtement par matrice à fente et autres - pour déposer un matériau sur une surface dans un liquide. Lorsque le liquide s'évapore, le revêtement pur reste.
La clé est un équilibre entre deux propriétés du solvant lui-même :sa constante diélectrique et le nombre de donneur Gutmann. La constante diélectrique est le rapport de la perméabilité électrique du matériau à son espace libre. Cela détermine à quel point un solvant peut dissoudre un composé ionique. Le nombre de donneur est une mesure de la capacité de donneur d'électrons des molécules de solvant.
"Si vous trouvez la corrélation entre eux, vous constaterez qu'il existe environ quatre solvants qui vous permettent de dissoudre les pérovskites et de les enduire par centrifugation sans détruire la couche 3D", a déclaré Mohite.
Il a déclaré que leur découverte devrait être compatible avec la fabrication roll-to-roll qui produit généralement 30 mètres de cellule solaire par minute.
Andrew Torma, étudiant diplômé en physique appliquée à l'université Rice, valide la structure électronique d'une cellule solaire en pérovskite 2D/3D. Crédit :Jeff Fitlow/Rice University
Siraj Sidhik, étudiant diplômé de l'Université Rice, met en place une expérience pour exposer une cellule de pérovskite bicouche à la lumière artificielle du soleil. Les cellules créées dans le laboratoire Rice exposées à une forte lumière pendant 2 000 heures ont dégradé leur efficacité de moins de 1 %. Crédit :Jeff Fitlow/Rice University
"Cette percée conduit, pour la première fois, à des hétérostructures de dispositifs pérovskites contenant plus d'une couche active", a déclaré le co-auteur Jacky Even, professeur de physique à l'Institut national des sciences et technologies de Rennes, en France. "Le rêve de concevoir des architectures de semi-conducteurs complexes avec des pérovskites est sur le point de se réaliser. De nouvelles applications et l'exploration de nouveaux phénomènes physiques seront les prochaines étapes."
"Cela a des implications non seulement pour l'énergie solaire, mais aussi pour l'hydrogène vert, avec des cellules capables de produire de l'énergie et de la convertir en hydrogène", a déclaré Mohite. "Cela pourrait également activer l'énergie solaire hors réseau pour les voitures, les drones, le photovoltaïque intégré au bâtiment ou même l'agriculture."
L'étudiant diplômé de Rice, Siraj Sidhik, est l'auteur principal de l'article. Grand bond en avant pour les cellules solaires pérovskites stables à haut rendement
