Source : news.northwestern.edu
Les résultats, publiés aujourd'hui (17 novembre) dans la revue Science, décrivent une solution à deux molécules pour surmonter les pertes d'efficacité lorsque la lumière du soleil est convertie en énergie. En incorporant d'abord une molécule pour résoudre ce qu'on appelle la recombinaison de surface, dans laquelle des électrons sont perdus lorsqu'ils sont piégés par des défauts (atomes manquants à la surface), et une deuxième molécule pour perturber la recombinaison à l'interface entre les couches, l'équipe a obtenu un objectif national en matière d'énergie renouvelable. Energy Lab (NREL) a certifié une efficacité de 25,1 %, alors que les approches antérieures atteignaient une efficacité de seulement 24,09 %.
"La technologie solaire pérovskite évolue rapidement et l'accent de la recherche et du développement se déplace de l'absorbeur en vrac vers les interfaces", a déclaré le professeur Ted Sargent de Northwestern. "C'est le point critique pour améliorer encore l'efficacité et la stabilité et nous rapprocher de cette voie prometteuse vers une récolte solaire toujours plus efficace."
Sargent est co-directeur exécutif de l'Institut Paula M. Trienens pour le développement durable et l'énergie (anciennement ISEN) et chercheur multidisciplinaire en chimie des matériaux et en systèmes énergétiques, avec des nominations au département de chimie du Weinberg College of Arts and Sciences et du département de génie électrique et informatique de la McCormick School of Engineering.
Les cellules solaires conventionnelles sont constituées de tranches de silicium de haute pureté qui nécessitent beaucoup d’énergie à produire et ne peuvent absorber qu’une plage fixe du spectre solaire.
Matériaux pérovskites dont la taille et la composition peuvent être ajustées pour « ajuster » les longueurs d'onde de la lumière qu'ils absorbent, ce qui en fait une technologie tandem émergente à haut rendement, favorable et potentiellement moins coûteuse.
Historiquement, les cellules solaires à pérovskite ont été confrontées à des difficultés pour améliorer leur efficacité en raison de leur relative instabilité. Au cours des dernières années, les progrès du laboratoire de Sargent et d'autres ont amené l'efficacité des cellules solaires à pérovskite dans la même fourchette que celle obtenue avec le silicium.
Dans la présente recherche, plutôt que d’essayer d’aider la cellule à absorber davantage de lumière solaire, l’équipe s’est concentrée sur la question du maintien et de la rétention des électrons générés pour augmenter l’efficacité. Lorsque la couche de pérovskite entre en contact avec la couche de transport d’électrons de la cellule, les électrons se déplacent de l’une à l’autre. Mais l’électron peut reculer vers l’extérieur et remplir, ou « se recombiner », les trous qui existent sur la couche de pérovskite.
"La recombinaison à l'interface est complexe", a déclaré le premier auteur Cheng Liu, étudiant postdoctoral au laboratoire Sargent, co-supervisé par les professeurs de chimie Charles E. et Emma H. Morrison Mercouri Kanatzidis. "Il est très difficile d'utiliser un seul type de molécule pour traiter une recombinaison complexe et retenir les électrons. Nous avons donc réfléchi à la combinaison de molécules que nous pourrions utiliser pour résoudre le problème de manière plus globale."
Des recherches antérieures menées par l'équipe de Sargent ont montré qu'une molécule, PDAI2, réussit bien à résoudre la recombinaison d'interface. Ensuite, ils devaient trouver une molécule capable de réparer les défauts de surface et d’empêcher les électrons de se recombiner avec eux.
En trouvant le mécanisme qui permettrait à PDAI2 de fonctionner avec une molécule secondaire, l’équipe s’est concentrée sur le soufre, qui pourrait remplacer les groupes carbone – généralement incapables d’empêcher les électrons de se déplacer – pour couvrir les atomes manquants et supprimer la recombinaison.
"En s'attaquant aux principales inefficacités trouvées dans les cellules solaires à pérovskite inversée, qui sont principalement dues à des pertes par recombinaison non radiative, une nouvelle norme en matière d'efficacité des cellules solaires est en train d'être établie", a déclaré le professeur Mercouri Kanatzidis du Nord-Ouest. "Il s'agit d'une excellente illustration de la façon dont le domaine de la chimie des matériaux avancés peut améliorer considérablement l'efficacité de conversion d'énergie et la longévité des technologies photovoltaïques émergentes à base de pérovskite."
Kanatzidis est une autorité de premier plan dans le domaine de la chimie des matériaux et des solutions énergétiques durables, avec une double nomination au département de chimie de Weinberg et au département de science et d'ingénierie des matériaux de McCormick.
"Nous sommes ravis que notre stratégie bimoléculaire montre son applicabilité à une gamme de compositions de pérovskites, y compris celles qui sont prometteuses pour les cellules solaires en tandem", a déclaré Bin Chen, professeur adjoint de recherche en chimie et co-auteur de l'article.
Un article récent du même groupe publié dans Nature a développé un revêtement pour le substrat situé sous la couche de pérovskite afin d'aider la cellule à fonctionner à une température plus élevée pendant une période plus longue. Cette solution, selon Liu, peut fonctionner en tandem avec les conclusions de l'article scientifique.
Même si l’équipe espère que leurs découvertes encourageront la communauté scientifique dans son ensemble à poursuivre ses travaux, elle travaillera également sur des suivis.
"Nous devons utiliser une stratégie plus flexible pour résoudre le problème complexe de l'interface", a déclaré Cheng. "Nous ne pouvons pas utiliser uniquement un seul type de molécule, comme le faisaient auparavant. Nous utilisons deux molécules pour résoudre deux types de recombinaison, mais nous sommes sûrs qu'il existe davantage de types de recombinaison liées à des défauts à l'interface. Nous devons essayer d'utiliser plus de molécules à se rassembler et à s'assurer que toutes les molécules fonctionnent ensemble sans se détruire mutuellement.
