Les éthers couronnes améliorent la stabilité des pérovskites

Des scientifiques de l’EPFL ont utilisé une méthode sans précédent avec une complexation hôte-invité multimodale pour améliorer considérablement la stabilité des cellules photovoltaïques à pérovskites tout en réduisant la libération de plomb dans l’environnement.

Les pérovskites sont des composés hybrides à base d’halogénures métalliques et de constituants organiques. Ils présentent un grand potentiel dans un ensemble d’applications, par exemple les éclairages à LED, les lasers et les photodétecteurs. Leur contribution majeure réside dans les cellules photovoltaïques, où elles sont sur le point de conquérir le marché et de remplacer leurs homologues au silicium.

Les pérovskites à base d’iodure de plomb formamidinium font partie des principaux candidats pour des cellules photovoltaïques hautement efficaces et stables. Elles présentent de grandes capacités en tant que collecteurs de lumière. Cependant, leur stabilité reste problématique, notamment dans les conditions environnementales et opérationnelles, ce qui limite leur application optoélectronique.

Aujourd’hui, une équipe collaborative de scientifiques dirigée par le professeur Michael Grätzel de la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL a relevé le défi en développant une «stratégie de complexation hôte-invité multimodale». Publiée dans Nature Communications, cette stratégie consiste à utiliser un membre des éthers couronnes, une famille de composés cycliques dont la structure atomique en forme d’anneau ressemble à une couronne.

Les chercheurs ont utilisé le dibenzo-21-couronne-7 dans la fabrication des cellules photovoltaïques à pérovskites à base d’iodure de plomb formamidinium. Ils ont démontré l’efficacité de cette approche synergique avec les ions métalliques de césium, pour lesquels l’éther couronne présente une forte affinité. Agissant comme un véhicule, l’éther couronne s’assemble au niveau de l’interface du film de pérovskite et libère les ions césium à l’intérieur.

«Nous utilisons cette complexation hôte-invité multimodale pour moduler la surface des films de pérovskite, ainsi que leur composition globale», explique Jovana V. Milić, qui a participé à l’étude.

«Il est aussi très intéressant de voir que la pérovskite à base d’iodure de plomb formamidinium photoactive peut être stabilisée dans des conditions environnementales humides pendant plus d’un an», explique Hong Zhang, scientifique de l’EPFL et principal auteur de l’étude.

L’effet global est une amélioration très nette de la stabilité des cellules photovoltaïques à pérovskite. Elles présentent un rendement de conversion de puissance supérieur à 24% et une meilleure stabilité opérationnelle, assurant plus de 95% de leurs performances pendant 500 heures en fonctionnement continu. Qui plus est, l’éther couronne aide également à lier les ions plomb, réduisant ainsi leur libération dans l’environnement

Auteur: Nik Papageorgiou

Liste des contributeurs

Laboratoire de photonique et interfaces de l’EPFL
Laboratoire de chimie et biochimie computationnelles de l’EPFL
Laboratoire de résonance magnétique de l’EPFL
Laboratoire des sciences photomoléculaires de l’EPFL
Laboratoire de chimie supramoléculaire de l’EPFL
Laboratoire de géochimie biologique de l’EPFL
Universität Tübingen
Université de Fribourg

Financement :

Horizon 2020 de l’Union européenne
Fonds national suisse de la recherche scientifique (PRIMA, NCCR-MUST, SINERGIA, R’Equip)
DFG
Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada

Références :

Hong Zhang, Felix Thomas Eickemeyer, Zhiwen Zhou, Marko Mladenović, Farzaneh Jahanbakhshi, Lena Merten, Alexander Hinderhofer, Michael A. Hope, Olivier Ouellette, Aditya Mishra, Paramvir Ahlawat, Dan Ren, Tzu-Sen Su, Anurag Krishna, Zaiwei Wang, Zhaowen Dong, Jinming Guo, Shaik M. Zakeeruddin, Frank Schreiber, Anders Hagfeldt, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Jovana V. Milić, Michael Grätzel. Multimodal host–guest complexation for efficient and stable perovskite photovoltaics. Nat Commun 12, 3383 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23566-2