Comprendre et contrer la dégradation des cellules solaires à base de pérovskites

Les ingénieurs en matériaux de Georgia Tech ont décodé le mécanisme qui provoque la dégradation d’un nouveau matériau prometteur pour les cellules solaires. Ils ont réussi à le stopper en utilisant une fine couche de molécules qui repousse l’eau.

Les pérovskites : un potentiel énorme

Les pérovskites à base de halogénures métalliques, déjà aussi efficaces que les meilleures cellules solaires à base de silicium pour capter la lumière et la convertir en électricité, ont un potentiel énorme.

Non seulement elles pourraient transformer notre façon de produire de l’énergie solaire, mais elles pourraient également révolutionner la fabrication de semi-conducteurs pour d’autres types d’applications, comme les LED ou les phototransistors. On peut même envisager leur utilisation dans la technologie d’information quantique, par exemple pour l’émission de lumière pour la communication quantique.

Juan-Pablo Correa-Baena, professeur assistant à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux et auteur principal de l’étude, a indiqué : « Ces matériaux ont des propriétés impressionnantes qui sont très prometteuses ».

Le défi de la stabilité

Le développement des pérovskites a progressé rapidement, en particulier après que les ingénieurs et les chimistes ont reconnu leur potentiel pour des cellules solaires plus efficaces il y a une dizaine d’années. Les pérovskites à base de halogénures métalliques sont en revanche instables lorsqu’elles interagissent avec l’eau et l’oxygène, se transformant en une structure différente qui ne fonctionne pas bien pour produire de l’énergie solaire.

L’équipe de Georgia Tech a découvert pourquoi, en utilisant la diffusion des rayons X et la spectroscopie pour étudier les interactions chimiques entre les pérovskites et l’environnement. Les chercheurs ont constaté que l’interaction complexe de l’eau et de l’oxygène avec les pérovskites conduit à l’instabilité ; en éliminant l’un de ces éléments, la structure cristalline des pérovskites, qui capture l’énergie, est préservée.

Une solution prometteuse

L’équipe de Correa-Baena a testé leur découverte en ajoutant une fine couche d’un matériau appelé iodure de phénéthylammonium (PEAI) sur un film de pérovskite. Les molécules de PEAI repoussent l’eau, et les chercheurs ont constaté que cela suffisait à stabiliser la structure des pérovskites et donc leur efficacité de conversion de l’énergie.

Cependant, le PEAI a ses inconvénients : « Ces molécules sont très efficaces pour empêcher l’eau d’interagir avec la pérovskite, mais elles sont également très mauvaises en termes de stabilité thermique », a ajouté Correa-Baena.

Lorsque la lumière du soleil frappe les cellules de pérovskite et qu’elles chauffent, les molécules de PEAI commencent à bouger et l’efficacité diminue. L’équipe travaille donc maintenant sur le problème de la stabilité thermique.

En synthèse

Les pérovskites à base de halogénures métalliques sont un matériau prometteur pour les cellules solaires, mais leur instabilité en présence d’eau et d’oxygène a été un obstacle majeur. L’équipe chercheur a découvert que l’ajout d’une fine couche de PEAI, qui repousse l’eau, peut stabiliser la structure des pérovskites et maintenir leur efficacité de conversion de l’énergie. Le défi de la stabilité thermique reste quand même à résoudre.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les pérovskites ?

Les pérovskites sont une famille de matériaux qui ont une structure cristalline spécifique. Elles sont prometteuses pour une variété d’applications, notamment les cellules solaires.

Pourquoi les pérovskites sont-elles prometteuses pour les cellules solaires ?

Les pérovskites sont aussi efficaces que les meilleures cellules solaires à base de silicium pour capter la lumière et la convertir en électricité. De plus, elles ont le potentiel de transformer la fabrication de semi-conducteurs pour d’autres applications.

Quel est le problème avec les pérovskites ?

Les pérovskites à base de halogénures métalliques sont instables lorsqu’elles interagissent avec l’eau et l’oxygène, ce qui les rend moins efficaces pour produire de l’énergie solaire.

Comment l’équipe de Georgia Tech a-t-elle résolu ce problème ?

L’équipe a découvert que l’ajout d’une fine couche de PEAI, qui repousse l’eau, peut stabiliser la structure des pérovskites et maintenir leur efficacité de conversion de l’énergie.

Quels sont les défis restants ?

Le principal défi est la stabilité thermique. Lorsque les cellules de pérovskite chauffent, les molécules de PEAI commencent à bouger et l’efficacité diminue.

Références

Légende illustration principale : Illustration de pérovskites à base d’halogénures métalliques. Il s’agit d’un matériau prometteur pour transformer la lumière en énergie parce qu’il est très efficace, mais il est également instable. Les ingénieurs de Georgia Tech ont montré dans une nouvelle étude que l’eau et l’oxygène sont nécessaires pour que les pérovskites se dégradent. L’équipe a stoppé la transformation avec une fine couche d’une autre molécule qui repousse l’eau. (Image Courtesy : Juan-Pablo Correa-Baena)

Article : « Synergistic Role of Water and Oxygen Leads to Degradation in Formamidinium-Based Halide Perovskites » – DOI: 10.1021/jacs.3c05657