Un chercheur teste le fonctionnement des cellules solaires à l'intérieur de la boîte à gants. Crédit :Université de la ville de Hong Kong
Alors que l'efficacité de conversion d'énergie des cellules solaires à pérovskite (PVSC) - un avenir des cellules solaires - s'est déjà considérablement améliorée au cours de la dernière décennie, les problèmes d'instabilité et d'impact potentiel sur l'environnement doivent encore être surmontés. Récemment, des scientifiques de la City University of Hong Kong (CityU) ont développé une nouvelle méthode qui peut simultanément lutter contre les fuites de plomb des PVSC et le problème de stabilité sans compromettre l'efficacité, ouvrant la voie à une application réelle de la technologie photovoltaïque pérovskite.
L'équipe de recherche est codirigée par le professeur Alex Jen Kwan-yue, Provost et professeur titulaire de CityU en chimie et science des matériaux, avec le professeur Xu Zhengtao et le Dr Zhu Zonglong du Département de chimie. Les résultats de leurs recherches ont été récemment publiés dans la revue scientifique Nature Nanotechnologie , intitulé "Cadre métal-organique 2-D pour des cellules solaires à pérovskite stables avec une fuite de plomb minimisée."
Actuellement, l'efficacité de conversion de puissance la plus élevée des PVSC a été comparable à celle des cellules solaires à la pointe de la technologie à base de silicium. Cependant, les pérovskites utilisées contiennent un composant de plomb qui soulève un problème de contamination potentielle de l'environnement. « Alors que la cellule solaire vieillit, les espèces de plomb peuvent fuir à travers les appareils, par exemple. par l'eau de pluie dans le sol, présentant une menace de toxicité pour l'environnement, " a expliqué le professeur Jen qui est un expert en PVSC. " Pour mettre les PVSC dans des utilisations commerciales à grande échelle, cela nécessite non seulement une efficacité de conversion de puissance élevée, mais également une stabilité à long terme de l'appareil et un impact environnemental minimisé."
Collaborer avec le professeur Xu dont l'expertise est la synthèse de matériaux, Le professeur Jen et le Dr Zhu ont dirigé l'équipe pour surmonter les défis ci-dessus en appliquant des structures métal-organiques (MOF) bidimensionnelles (2-D) aux PVSC. « Nous sommes la première équipe à fabriquer des dispositifs PVSC avec des fuites de plomb minimisées, bonne stabilité à long terme et efficacité de conversion de puissance élevée simultanément, " Le professeur Jen a résumé leur percée dans la recherche.
Couche MOF multifonctionnelle
Des matériaux de structure métal-organique (MOF) ont déjà été appliqués comme échafaudages pour modèler la croissance des pérovskites. Les scientifiques les ont également utilisés comme additifs ou modificateurs de surface pour passiver (pour réduire la réactivité de la surface du matériau) les défauts des pérovskites afin d'améliorer les performances et la stabilité de l'appareil.
Plus de 80% des fuites d'ions plomb sont capturées dans la couche supérieure de MOF pour atténuer l'impact potentiel sur l'environnement. Crédit :DOI :10.1038/s41565-020-0765-7
Cependant, la plupart des MOF 3-D sont assez isolants électriquement avec une faible mobilité des porteurs de charge, donc impropre à être utilisé comme matériaux de transport de charge.
Mais les MOF préparés par le professeur Xu sont différents. Ils ressemblent à des nids d'abeilles, Structure 2-D équipée de nombreux groupes thiol comme fonctionnalité clé. Ils possèdent des niveaux d'énergie appropriés, leur permettant d'être une couche d'extraction d'électrons (appelée aussi « couche de collecte d'électrons ») où les électrons sont finalement collectés par l'électrode des PVSC. "Nos MOF d'ingénierie moléculaire possèdent la propriété d'un semi-conducteur multifonctionnel, et peut être utilisé pour améliorer l'efficacité d'extraction de charge, " a expliqué le professeur Xu.
Piégeage des ions plomb pour éviter la contamination
Plus important, les réseaux denses de groupes thiol et disulfure dans les MOF peuvent « capturer » les ions de métaux lourds à l'interface pérovskite-électrode pour atténuer les fuites de plomb.
"Nos expériences ont montré que le MOF utilisé comme couche externe du dispositif PVSC capturait plus de 80% des ions plomb provenant de la pérovskite dégradée et formait des complexes insolubles dans l'eau qui ne contamineraient pas le sol, " a expliqué le professeur Jen. Contrairement aux méthodes d'encapsulation physique utilisées pour réduire les fuites de plomb dans d'autres études, cette sorption chimique in situ du plomb par le composant MOF intégré dans le dispositif s'est avérée plus efficace et durable pour les applications pratiques à long terme.
La concentration de plomb dans la solution aqueuse extraite des M-PVSC âgés (PVSC avec MOF) a considérablement diminué par rapport aux r-PVSC (PVSC sans MOF). Ceci est attribué à la réaction chimique entre le réseau dense de groupes thiol et disulfure dans le MOF avec des fuites d'ions plomb. Crédit :DOI :10.1038/s41565-020-0765-7
Stabilité opérationnelle à long terme atteinte
De plus, ce matériau MOF pourrait protéger les pérovskites contre l'humidité et l'oxygène tout en maintenant une efficacité élevée.
L'efficacité de conversion de puissance de leur dispositif PVSC modifié avec MOF pourrait atteindre 22,02 % avec un facteur de remplissage de 81,28 % et une tension en circuit ouvert de 1,20 V. L'efficacité de conversion et la tension en circuit ouvert enregistrées sont parmi les valeurs les plus élevées signalées pour le PVSCs planaires inversés. À la fois, le dispositif présentait une stabilité supérieure dans un environnement ambiant avec une humidité relative de 75 %, maintenant 90 % de son efficacité initiale après 1, 100 heures. En revanche, l'efficacité de conversion de puissance du PVSC sans MOF a chuté de manière significative à moins de 50 % de sa valeur d'origine.
Aussi, leur appareil a conservé 92% de son efficacité initiale sous irradiation lumineuse continue pendant 1, 000 heures à 85°C. "Un tel niveau de stabilité a déjà atteint la norme de commercialisation fixée par la Commission électrotechnique internationale (CEI), " a déclaré le Dr Zhu.
« C'est un résultat très important qui a prouvé que notre méthode MOF est techniquement faisable et a le potentiel de commercialiser la technologie PVSC, " a ajouté le professeur Jen.
PVSC à haute efficacité pour les applications d'énergie propre
Il a fallu près de deux ans à l'équipe pour accomplir cette recherche prometteuse. Leur prochaine étape sera d'améliorer encore l'efficacité de la conversion de puissance et d'explorer les moyens de réduire les coûts de production.
"Nous espérons qu'à l'avenir, la fabrication de ce type de PVSC ressemblera à "l'impression" de journaux et qu'elle sera facilement mise à l'échelle dans la production, faciliter le déploiement à grande échelle de PVSC hautement efficaces pour des applications d'énergie propre, " a conclu le professeur Jen.
