Des scientifiques en Chine et en Suède ont déterminé qu’une pincée de capsaïcine, le composé chimique qui donne aux piments leur piquant épicé, pourrait être un ingrédient secret pour des cellules solaires pérovskites plus stables et plus efficaces.
Les recherches, publiées le 13 janvier dans la revue Joule, ont permis de déterminer que le fait de saupoudrer de la capsaïcine dans le précurseur du triiodure de plomb méthylammonium (MAPbI3) de la pérovskite au cours du processus de fabrication entraînait une plus grande abondance d’électrons (au lieu de placeurs vides) pour conduire le courant à la surface du semi-conducteur. Cet ajout a donné naissance à des cellules solaires MAPbI3 polycristallines dont le transport de charge est le plus efficace à ce jour.
« À l’avenir, la technologie verte et durable des additifs pour biomatériaux forestiers constituera une tendance claire dans les matériaux pérovskites non toxiques et sans plomb« , déclare Qinye Bao, auteur principal de l’étude à l’Université normale de Chine orientale. « Nous espérons que cela permettra à terme de produire une cellule solaire en pérovskite entièrement verte pour une source d’énergie propre« .
Alors que les semi-conducteurs pérovskites aux halogénures métalliques représentent un composant prometteur pour les technologies de pointe des cellules solaires, ils sont victimes de la recombinaison non radiative, un processus indésirable au niveau des électrons qui réduit l’efficacité et exacerbe les pertes de chaleur. Bao et ses collègues ont cherché un additif naturel, issu de la forêt et peu coûteux pour surmonter cette limitation et améliorer les performances des cellules solaires.
« Compte tenu des propriétés électriques, chimiques, optiques et stables de la capsaïcine, nous avons provisoirement trouvé que ce serait un candidat prometteur« , explique Bao.
Pour tester les capacités du capsaïcine, Bao et ses collègues ont ajouté 0,1 % en poids du composé (la concentration optimale déterminée) dans un précurseur de la pérovskite MAPbI3, qu’ils ont utilisé pour fabriquer des cellules solaires. Ensuite, les chercheurs ont appliqué une série de techniques, dont la spectroscopie photoélectronique dans l’ultraviolet, la spectroscopie photoélectronique aux rayons X et la photoluminescence à résolution temporelle, pour déterminer comment l’additif de capsaïcine affectait les propriétés des cellules solaires. Ils ont constaté que si les dispositifs de contrôle affichaient une efficacité de conversion d’énergie de seulement 19,1 %, les dispositifs contenant du capsaïcine avaient une efficacité de 21,88 % – presque aussi élevée que l’efficacité record de 21,93 % des dispositifs MAPbI3 monocristallins. Les cellules solaires améliorées ont également montré une meilleure stabilité, conservant plus de 90 % de leur efficacité initiale après 800 heures de stockage dans l’air ambiant.
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Bao et ses collègues ont également déterminé que la capsaïcine réduisait considérablement la densité de défauts du film de pérovskite, augmentant la densité d’électrons d’un ordre de grandeur et stimulant le transport de charges. De plus, ils ont observé un courant de fuite plus faible dans les cellules solaires contenant le composé de piment, ce qui suggère que ce dernier a supprimé avec succès la recombinaison non radiative.
La capsaïcine a permis ces améliorations en transformant l’énergie de surface du matériau pérovskite, créant une interface entre les couches semi-conductrices de type p, qui contiennent plus de « trous » déficients en électrons que d’électrons, et les couches semi-conductrices de type n, qui contiennent plus d’électrons que de « trous ». Cette interface favorise le transport de charges et supprime la perte d’efficacité observée dans les semi-conducteurs pérovskites traditionnels.
Bien que la capsaïcine puisse constituer un additif peu coûteux et largement disponible pour le développement futur de cellules solaires pérovskites à grande échelle et à haute efficacité, Bao et ses collègues font remarquer que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour étudier l’effet du composé sur les pérovskites non toxiques et sans plomb telles que la pérovskite inorganique et la double pérovskite. En outre, la stabilité du matériau doit être affinée avant qu’il ne soit prêt pour des applications commerciales.
« Nous nous concentrerons davantage sur la relation entre les structures chimiques des additifs des biomatériaux naturels issus de la forêt, leur interaction avec les matériaux photoactifs et les performances photovoltaïques correspondantes« , déclare M. Bao. « Nous espérons générer de nouvelles connaissances de grande valeur pour augmenter encore le rendement de conversion de l’énergie et la stabilité des cellules solaires pérovskites« .
