L’énergie solaire connaît une évolution majeure grâce aux cellules à base de pérovskite. Des chercheurs de l’Université KAUST ont réalisé des progrès importants dans la stabilisation de ces matériaux innovants, permettant d’envisager leur utilisation dans des applications concrètes.
Les pérovskites constituent une famille de composés peu onéreux et aisément transformables en films minces capables de convertir la lumière en électricité. Leur composition chimique comprend généralement trois types d’ingrédients : des métaux comme l’étain ou le plomb, des ions halogènes tels que le bromure ou l’iodure, et des ions chargés positivement comme le césium, le méthylammonium ou le formamidinium.
L’attrait particulier pour les pérovskites à base d’étain et de plomb réside dans leur capacité à absorber non seulement la lumière visible, mais également le rayonnement proche infrarouge. Cette propriété unique permet d’envisager la création de cellules solaires en tandem, combinant différentes couches spécialisées dans l’absorption de parties spécifiques du spectre solaire.
Luis Lanzetta, l’un des principaux scientifiques impliqués dans cette recherche, a expliqué : « Dans ces cellules solaires ‘en tandem’, chacune des couches se spécialise dans l’absorption d’une partie spécifique du spectre solaire. Cela signifie qu’une plus grande partie des photons de la lumière solaire peut être convertie en électricité.
Le défi de la stabilité des pérovskites
Malgré leur potentiel, les pérovskites à base d’étain et de plomb sont confrontées à un obstacle majeur : leur dégradation rapide au contact de l’oxygène et de l’humidité de l’air. Ce processus entraîne également la transformation d’une partie de l’iodure de la pérovskite en iode, causant des dommages supplémentaires qui réduisent considérablement les performances du matériau en moins d’une heure.
L’équipe de recherche de KAUST a étudié en détail ce processus de dégradation au niveau atomique. Cette compréhension approfondie leur a permis de développer des stratégies pour résoudre le problème.
Des solutions innovantes pour améliorer la stabilité
Les chercheurs ont fabriqué des pérovskites contenant divers mélanges de césium, de méthylammonium et de formamidinium. Ils ont découvert que les mélanges riches en césium présentaient une stabilité nettement supérieure aux autres. En revanche, les formulations riches en méthylammonium généraient environ quatre fois plus d’iode que leurs homologues riches en césium.
Des simulations informatiques ont suggéré que le césium peut capturer l’iode d’une manière qui ralentit la dégradation de la pérovskite. À l’inverse, le méthylammonium transforme l’iode en une forme encore plus active appelée triiodure. Lanzetta a souligné : « La mauvaise nouvelle est que le triiodure se forme juste à la surface de la pérovskite, où il est en contact étroit avec le matériau et capable de l’oxyder rapidement« .
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Des résultats encourageants
Pour remédier à ce problème, les chercheurs ont ajouté une fine couche contenant du césium ou du rubidium à la surface du matériau. Ils ont également incorporé un agent chimique capable de piéger l’iode dans la pérovskite. Ces tactiques innovantes ont permis de produire des cellules solaires à pérovskite avec un bon rendement d’environ 18%.
L’agent piégeur d’iode s’est révélé particulièrement efficace, assurant que les performances de la cellule restent pratiquement inchangées après 2 heures d’exposition à l’air. Ce résultat représente une avancée significative dans la résolution du problème de stabilité des pérovskites.
Perspectives futures
L’équipe de recherche prévoit d’étudier d’autres types de piégeurs d’iode et de tester différentes méthodes pour les incorporer dans la pérovskite afin d’améliorer ses performances. Derya Baran, qui a dirigé l’équipe, a indiqué : « Nous pensons que l’optimisation supplémentaire des additifs piégeurs d’iode pour les cellules solaires à pérovskite conduira à des technologies hautement durables« .
Ces progrès dans la stabilisation des pérovskites à base d’étain et de plomb offrent de nouvelles possibilités pour le développement de cellules solaires plus efficaces et durables. L’amélioration de la stabilité de ces matériaux constitue une étape essentielle vers leur utilisation dans des panneaux solaires et d’autres dispositifs pratiques, promettant ainsi de contribuer significativement à l’avenir de l’énergie solaire.
Légende illustration : L’incorporation de piégeurs d’iode dans la pérovskite a amélioré ses performances, les mélanges riches en césium s’avérant particulièrement plus stables que les autres. 2024 KAUST.
Alsulami, A., Lanzetta, L., Huerta Hernandez, L.H., Rosas Villalva, D.R., Sharma, A., Gonzalez Lopez, S.P., Emwas, A.-H., Yazmaciyan, A., Laquai, F., Yavuz, I. & Baran, D. Triiodide formation governs oxidation mechanism of tin-lead perovskite solar cells via A-site choice. Journal of American Chemical Society, advance online publication August 9, 2024.| article.
