Un polymère naturel stimule les cellules solaires

Yafeng Xu

Une fine couche d’héparine sodique améliore les performances des cellules solaires en pérovskite.

Un polymère naturel couramment utilisé comme anticoagulant médical peut améliorer la stabilité, la flexibilité et l’efficacité des cellules solaires en pérovskite de nouvelle génération, ont découvert des chercheurs de la KAUST. Le polymère agit comme un pont moléculaire entre deux couches cruciales de la cellule solaire, facilitant le flux de charge électrique et contribuant à rendre les dispositifs plus robustes.

Les pérovskites sont une famille de semi-conducteurs captant la lumière, à base de matériaux abondants et peu coûteux tels que le plomb et l’iode. Alors que la plupart des cellules solaires commerciales reposent sur des plaques relativement épaisses de silicium cristallin, les cellules solaires en pérovskite ont une couche absorbant la lumière beaucoup plus fine, ce qui permet d’obtenir des dispositifs légers et flexibles. L’efficacité des cellules solaires en pérovskite a considérablement augmenté au cours des 15 dernières années, les meilleures cellules convertissant 27 % de la lumière qui les frappe en électricité, soit un rendement similaire à celui des cellules en silicium les plus efficaces.

Cependant, les cellules en pérovskite ont également tendance à se dégrader beaucoup plus rapidement que les cellules en silicium, en partie à cause de problèmes au niveau des interfaces entre les couches à l’intérieur des cellules en pérovskite, qui peuvent réduire leur efficacité et les rendre plus fragiles.

Lorsque la lumière frappe une cellule solaire, elle libère des électrons dans la couche absorbante, qui se déplacent vers une couche adjacente de transport d’électrons, composée de matériaux tels que l’oxyde d’étain, puis vers une électrode. Une liaison faible entre ces couches peut réduire la résistance mécanique de l’appareil, tandis que des défauts au niveau des interfaces peuvent déclencher la décomposition de la pérovskite et réduire considérablement l’efficacité de la cellule.

D’autres chercheurs ont déjà utilisé de petites molécules pour résoudre ces problèmes d’interface. « Mais les petites molécules ne peuvent généralement pas offrir l’intégrité structurelle, la grande stabilité mécanique et la flexibilité que peuvent offrir des polymères tels que l’héparine sodique », indique Omar F. Mohammed, qui a dirigé la recherche à la KAUST.

Les médecins utilisent l’héparine sodique pour prévenir la formation de caillots sanguins chez les patients, mais ce polymère à base de sucre a également d’autres applications. L’un de ses avantages est qu’il regorge de groupes chimiques chargés négativement (carboxylates et sulfonates) ainsi que d’ions sodium chargés positivement.

Les chercheurs ont inséré une fine couche d’héparine sodique, d’une épaisseur de seulement 3 à 5 nanomètres, entre les couches de pérovskite et d’oxyde d’étain d’une cellule solaire. Les tests ont montré que les groupes carboxylates et sulfonates de l’héparine passivaient efficacement les défauts interfaciaux en compensant les atomes d’iode manquants, tandis que son sodium faisait de même pour le plomb manquant.

Les groupes chimiques de l’héparine ont également formé des liaisons solides avec le plomb et l’étain, liant les deux couches entre elles. « Son rôle de pont moléculaire est essentiel pour la stabilité et la flexibilité dans les applications pratiques », explique Yafeng Xu, membre de l’équipe KAUST.

Une cellule solaire en pérovskite contenant de l’héparine sodique affichait un rendement de conversion énergétique impressionnant de 26,61 %, tandis qu’une cellule équivalente sans héparine n’atteignait que 25,23 %. Le dispositif à base d’héparine pouvait être plié 1 000 fois sans perdre beaucoup de son efficacité. Il était également plus stable, conservant environ 95 % de son rendement initial après 1 800 heures de fonctionnement, même lorsqu’il était exposé à une température de 85 °C. En revanche, le dispositif sans héparine a perdu environ 30 % de son rendement dans les mêmes conditions.

Les chercheurs espèrent maintenant appliquer ces connaissances pour améliorer les performances des cellules solaires en pérovskite de plus grande taille.

Tang, X., Yang, C., Xu, Y., Xia, J., Li, B., Li, M., Zhou, Y., Jiang, L., Liu, H., Ma, K., Yu, Q., Dong, B., Liu, Y., Mohammed, O. F. & Zheng, X. Enhancing the efficiency and stability of perovskite solar cells via a polymer heterointerface bridge. Nature Photonics 19, 701–708 (2025).| DOI

Source : Kaust