Des chercheurs ont développé des additifs moléculaires permettant de prolonger la durée de vie des cellules solaires en pérovskite et de réduire jusqu’à quatre fois leur coût par rapport à celles à couche mince (actuelles). Ces additifs, dits « passivateurs de défauts », permettent notamment de ralentir considérablement la dégradation des films semi-conducteurs en pérovskite. Cela pourrait contribuer à améliorer la durabilité des panneaux photovoltaïques tout en améliorant leur compétitivité sur le marché des technologies énergétiques.
En vue des objectifs mondiaux de neutralité carbone, la demande en matière de technologies énergétiques vertes ne cesse de croître. Parmi les plus utilisées figurent les panneaux photovoltaïques, dont l’apport énergétique mondial devrait atteindre 4500 gigawattheures d’ici 2050.
Actuellement, les panneaux photovoltaïques disponibles sur le marché sont majoritairement composés de cellules solaires en silicium cristallin. Cependant, « les cellules solaires au silicium sont excellentes, car elles sont très efficaces et peuvent durer très longtemps, mais leur rendement a un coût élevé », indique Xiwen Gong, de l’Université du Michigan. En effet, « pour fabriquer du silicium de haute pureté, il faut des températures supérieures à 1000 °C. Sinon, l’efficacité n’est pas bonne », ajoute-t-il. Cela génère des coûts financiers et environnementaux considérables.
Afin de surmonter ces défis, les matériaux photovoltaïques alternatifs tels que les pérovskites aux halogénures métalliques (un sous-ensemble de pérovskites hybrides organiques-inorganiques contenant des ions halogénures comme l’iodure ou le bromure) sont désormais explorés pour leur meilleur rapport coût/performance. Ces matériaux sont notamment dotés d’excellentes propriétés optiques et électriques, tout en étant environ deux fois moins coûteux à produire que les semi-conducteurs en silicium cristallin. Ils peuvent également être combinés avec des semi-conducteurs à base de silicium et permettraient ainsi de dépasser l’efficacité théorique maximale des cellules solaires en silicium.
Cependant, la durée de vie des matériaux pérovskite actuels est trop limitée pour être commercialement compétitive pour l’application aux panneaux solaires. En effet, ces matériaux sont particulièrement sujets à la dégradation par les conditions environnementales auxquelles les cellules solaires sont généralement exposées (chaleur, humidité, polarisation inverse).
Dans le cadre de leur nouvelle recherche publiée dans la revue Matter, Gong et ses collègues ont tenté de développer des cellules solaires en pérovskite aux halogénures métalliques plus résistantes. Leurs résultats suggèrent que l’ajout de molécules « atténuant les défauts » des pérovskites permettrait d’améliorer leur stabilité et leur durée de vie. En d’autres termes, l’étude fournit des informations clés pour la prévention de la dégradation des semi-conducteurs en pérovskite. Les chercheurs estiment en outre que cela pourrait potentiellement conduire au développement de nouvelles cellules solaires 2 à 4 fois moins coûteuses que celles à couches minces actuelles.
Des matériaux pérovskite plus résistants à la dégradation
Les défauts des cristaux de pérovskite sont liés à la présence d’atomes de plomb qui ne sont pas entièrement liés aux autres éléments qui les composent. Ces sites sous-coordonnés induisent des ruptures du réseau cristallin, entravant le mouvement des électrons qui s’y déplacent et accélérant la dégradation du matériau.
Des recherches antérieures ont suggéré qu’il serait possible d’atténuer ces défauts en introduisant des molécules « passivatrices », permettant de bloquer les liaisons sous-coordonnées. La passivation est l’état d’un métal ou d’un alliage au cours duquel sa vitesse de corrosion est notablement ralentie. Les additifs passivateurs permettraient ainsi d’empêcher la formation d’autres imperfections (et donc de dégradation) sous l’effet de stimuli tels que la chaleur.
Cependant, la façon exacte dont ces molécules peuvent contribuer à la résistance des semi-conducteurs en pérovskite n’était pas suffisamment claire. « Nous voulions déterminer quelles caractéristiques des molécules améliorent spécifiquement la stabilité de la pérovskite », explique l’auteur principal de la nouvelle étude, Hongki Kim, de l’Université du Michigan.
Pour ce faire, l’équipe a développé trois additifs moléculaires contenant les mêmes éléments chimiques, mais différant dans leur forme, leur taille, leur poids et leur configuration. Ils ont ensuite été ajoutés à des films minces de pérovskite aux halogénures métalliques, afin de mesurer la force d’adhérence avec ceux-ci. Ce paramètre détermine notamment le taux et la vitesse à laquelle les défauts se forment au niveau du matériau.
Il a été constaté que les molécules les plus massives adhéraient mieux au matériau, car elles posséderaient davantage de sites de liaison pouvant interagir avec les cristaux de pérovskite. Cela signifierait qu’elles sont plus aptes à en atténuer les défauts et prévenir la dégradation. De plus, les molécules les plus volumineuses semblent également engendrer la formation de grains de pérovskite plus gros, améliorant ainsi la résistance du matériau.
En chauffant à 200 °C les films pérovskite améliorés avec les additifs, les chercheurs ont pu confirmer que les molécules plus volumineuses contribuaient à une meilleure conservation de la couleur noire ardoise, indiquant moins de défauts structurels au niveau des cellules solaires.
« La taille et la configuration sont importantes lors de la conception d’additifs, et nous pensons que cette philosophie de conception pourrait être mise en œuvre dans diverses formulations de pérovskite pour améliorer encore la durée de vie des cellules solaires à pérovskite, des dispositifs électroluminescents et des photodétecteurs », suggère le coauteur de l’étude, Carlos Alejandro Figueroa Morales, également de l’Université du Michigan. Par ailleurs, les résultats de l’étude permettraient d’établir une base d’identification systématique des meilleurs additifs pour les cellules solaires en pérovskite, contribuant ainsi à un gain de temps de recherche considérable.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]