Une équipe de chercheurs, affilié à UNIST a mis au point une nouvelle électrode qui pourrait grandement améliorer la stabilité des cellules solaires à pérovskite (PSC), le candidat le plus prometteur pour les cellules solaires de prochaine génération en raison de leur faible coût et de leur efficacité de conversion de puissance élevée. En effet, l'insertion d'une couche de protection entre l'électrode à base de métal et le film de pérovskite peut empêcher la dégradation induite par le métal et que le graphène, en tant que telle couche, peut supprimer efficacement la diffusion des métaux et des ions halogénures.

Cette percée a été menée par le professeur Hyesung Park et son équipe de recherche à l'École d'ingénierie énergétique et chimique de l'UNIST. Dans leur travail, l'équipe de recherche a développé une plate-forme d'électrodes hybrides à grille métallique flexible en utilisant un film de polyimide (CEP) intégré dans une grille de cuivre avec une feuille de graphène comme couche de protection (GCEP), qui présentait une conductivité électrique élevée, excellente stabilité chimique et durabilité mécanique. Le développement démontre le rôle essentiel du graphène en tant que couche de protection pour empêcher la dégradation induite par le métal et la diffusion des halogénures entre l'électrode et la couche de pérovskite.

Des électrodes à base d'oxyde métallique (ITO) ont été utilisées comme électrodes conductrices transparentes conventionnelles, mais leur inflexibilité les rend facilement brisés ou fracturés, ce qui les rend inadaptés aux applications d'appareils portables. En particulier, l'obstacle majeur à l'application des électrodes conductrices transparentes (TCE) à base de métal dans les PSC est la dégradation induite par l'interdiffusion des métaux et des ions halogénures entre l'électrode métallique et la couche de pérovskite.

Les chercheurs ont résolu le problème en insérant une feuille de graphène comme couche de protection à l'interface électrode métallique/couche de pérovskite. Le graphène a une conductivité électrique élevée, ce qui permet aux électrons de se déplacer facilement à travers elle. Cependant, l'excellente imperméabilité du graphène empêche la perméation même de la plus petite molécule.

"Le graphène peut être une barrière de diffusion efficace s'il est combiné avec des nanostructures métalliques ayant une imperméabilité exceptionnelle au métal et à la diffusion des ions halogénures à l'interface électrode métallique/couche de pérovskite, collection de charges améliorée à travers les espacements de vide des nanostructures métalliques, perte minimale de transmittance optique en tant que couche de protection en raison de sa haute transparence optique, et amélioration de la durabilité mécanique de l'électrode hybride, " a noté l'équipe de recherche.

Les chercheurs ont utilisé cette électrode hybride transparente et flexible pour fabriquer des PSC métalliques flexibles à base de TCE, obtenir une bonne stabilité chimique et mécanique. Cet appareil a atteint un PCE élevé (16,4%) comparable à celui de son homologue rigide à base d'ITO (17,5%). Ils ont également vérifié le rôle de la couche de graphène pour assurer la stabilité chimique des cellules solaires en empêchant l'interdiffusion des ions métal et halogénure. En outre, l'électrode GCEP a amélioré la photostabilité du PSC en bloquant la lumière ultraviolette (UV) et proche UV. Il a également maintenu plus de 97,5% de l'efficacité initiale même après 1, 000 heures. En outre, après 5, 000 essais de flexion, il a montré une excellente durabilité mécanique telle que le maintien de 94% de l'efficacité initiale, et donc applicable aux appareils portables de nouvelle génération.

"Cet article démontre que l'insertion d'une couche de protection entre l'électrode à base de métal et le film de pérovskite pourrait empêcher la dégradation induite par le métal et que le graphène, en tant que telle couche, peut supprimer efficacement la diffusion des métaux et des ions halogénures, " dit Gyujeong Jeong (programme combiné MS/Ph.D. de génie énergétique et chimique, UNSt), le premier auteur de l'étude.

"La nouvelle méthode a considérablement amélioré à la fois l'efficacité et la stabilité des PSC, ", déclare le professeur Park. "Ce travail fournit une stratégie efficace pour concevoir des plates-formes TCE assistées par métal sans ITO mécaniquement et chimiquement robustes dans les PSC."