De nouveaux matériaux pour des cellules solaires très efficaces

Un nouveau type de matériau pour les cellules solaires de la prochaine génération élimine le besoin d’utiliser du plomb, ce qui a constitué un obstacle majeur pour cette technologie. Les cellules solaires, incorporant la pérovskite minérale, ont fait l’objet d’une attention particulière depuis que le matériau a fait ses preuves pour la première fois en 2009. Les cellules solaires qui sont construites avec ce matériau sont plus efficaces que les panneaux solaires actuels. Ces derniers captent en moyenne 15 à 18 % de l’énergie solaire, tandis que les cellules solaires en pérovskite ont une efficacité pouvant atteindre 28 %. Mais il existe des obstacles majeurs à l’utilisation commerciale de ces matériaux : Les matériaux ne sont pas stables et contiennent du plomb soluble dans l’eau, ce qui constitue un risque pour la santé. Une équipe de scientifiques et d’ingénieurs dirigée par Letian Dou, professeur adjoint de génie chimique à l’Université Purdue, a mis au point un matériau de type sandwich incorporant des matériaux organiques et inorganiques pour former une structure hybride qui n’utilise pas de plomb et qui a beaucoup plus de stabilité. « Ces structures sont très excitantes, a commenté le Pr Dou. « Les structures sandwich sont comme des puits quantiques semi-conducteurs qui sont largement utilisés aujourd’hui dans de nombreux dispositifs électroniques et optoélectroniques, mais elles sont beaucoup plus faciles à produire et plus tolérantes aux défauts« . La recherche a été publiée dans la revue Nature Chemistry. Dans un article publié dans le Journal of the American Chemical Society en septembre, les scientifiques avaient incorporé le matériau dans un composant essentiel de nombreux appareils électroniques, un transistor à effet de champ. Yao Gao, auteur principal des deux documents de recherche et boursier postdoctoral dans le groupe de recherche de Dou, a déclaré que les nouveaux matériaux organiques-inorganiques hybrides perovskite sont moins chers et plus performants qu’un semi-conducteur inorganique traditionnel. De plus, la stratégie de conception du nouveau matériau pourrait servir de modèle pour de nombreux autres matériaux hybrides fonctionnels. « Les cellules solaires, comme de nombreuses personnes l’ont démontré, peuvent être très efficaces« , a conclu M. Gao. « Grâce à notre nouvelle technologie, nous pouvons rendre les matériaux de perovskite hybride intrinsèquement plus stables. En remplaçant le plomb toxique, ces nouveaux matériaux sont meilleurs pour l’environnement et peuvent également être utilisés en toute sécurité pour les capteurs bioélectroniques sur le corps. » Légende illustration : Un nouveau type de matériau pour les cellules solaires de la prochaine génération élimine le besoin d’utiliser du plomb, ce qui a constitué un obstacle majeur pour cette technologie. / Purdue University/Erin Easterling

Les puits quantiques à semi-conducteurs et les super-réseaux sont des éléments clés de l'optoélectronique moderne, mais il est difficile de réaliser simultanément une croissance épitaxiale sans défaut et un réglage précis de la composition chimique, de l'épaisseur des couches et de la structure des bandes de chaque couche pour obtenir le rendement souhaité. 

Nous démontrons ici la modulation de la structure électronique, et par conséquent des propriétés optiques, des blocs de construction semi-conducteurs organiques incorporés entre les couches de perovskites à travers une étape facile de traitement de solution. La forte auto-agrégation des molécules organiques conjuguées peut être supprimée par fonctionnalisation avec des groupes stériles exigeants, et des puits quantiques hybrides monocristallins organiques-perovskite (jusqu'à une unité de cellule) sont obtenus. 

Les transferts d'énergie et de charge entre les couches organiques et inorganiques adjacentes se sont avérés rapides et efficaces, en raison de l'interface atomiquement plate et de la très faible distance entre les couches intermédiaires des matériaux perovskite. Les périovskites hybrides 2D qui en résultent sont très stables, grâce à la protection des groupes organiques hydrophobes volumineux.