Pérovskites: survivront-elles au-delà de 200°C ?

Une nouvelle étude américaine offre une nouvelle perspective sur la prévention de la dégradation rapide des semi-conducteurs pérovskites, une découverte qui pourrait contribuer à la création de cellules solaires deux à quatre fois moins chères que les panneaux solaires à film mince actuels.

Les pérovskites pourraient être combinées avec les semi-conducteurs à base de silicium, qui sont couramment utilisés dans les panneaux solaires actuels, pour créer des cellules solaires « en tandem » qui pourraient surpasser l’efficacité théorique maximale des cellules solaires au silicium.

« Les cellules solaires au silicium sont excellentes car elles sont très efficaces et peuvent durer très longtemps, mais cette haute efficacité a un coût élevé », a commenté Xiwen Gong, professeur assistant de génie chimique à l’U-M. « Pour produire du silicium de haute pureté, des températures supérieures à 1 000 degrés Celsius sont nécessaires. Sinon, l’efficacité ne sera pas aussi bonne. »

Les défis de la stabilité des pérovskites

La haute température s’accompagne de coûts économiques et environnementaux plus élevés. Cependant, bien que les pérovskites puissent être produites à des températures plus basses, elles se dégradent lorsqu’elles sont exposées à la chaleur, à l’humidité et à l’air. En conséquence, la durée de vie des pérovskites aujourd’hui est trop courte pour être commercialement compétitive dans les panneaux solaires.

La recherche de Xiwen Gong vise à créer des cellules solaires en pérovskite plus résistantes, et sa dernière étude publiée dans la revue Matter suggère que les molécules « pacifiantes de défauts » volumineuses sont les plus efficaces pour augmenter la stabilité des pérovskites et leur durée de vie globale.

L’équipe de Xiwen Gong a conçu ces trois additifs moléculaires pour étudier comment la taille et la configuration d’un additif influent sur la stabilité des films de pérovskite, une catégorie de matériaux qui pourrait être utilisée pour fabriquer des cellules solaires à haut rendement et à faible coût. Les additifs peuvent empêcher les défauts, qui nuisent à l’efficacité des cellules solaires, de se développer au niveau des ruptures du réseau cristallin de la pérovskite, connues sous le nom de joints de grains. Le réseau de pérovskite est représenté par un réseau de diamants jaunes, tandis que les sites de défauts sont représentés par des cercles en pointillés bleu foncé. Les lignes noires en pointillés représentent les liaisons qui peuvent potentiellement se former entre la pérovskite et les additifs. La molécule la plus volumineuse couvre la plupart des défauts à la surface des grains de pérovskite tout en augmentant la taille globale des grains au cours du processus de fabrication. Des grains de pérovskite plus gros se traduisent par une plus faible densité de joints de grains dans le film, ce qui réduit le nombre d’endroits où des défauts peuvent se former. (Image : Carlos A. Figueroa Morales, Gong Lab, Université du Michigan)

La solution : des molécules pacifiantes de défauts

Les cristaux de pérovskite contiennent des atomes de plomb qui ne sont pas entièrement liés aux autres composants de la pérovskite. Ces « sites sous-coordonnés » sont des défauts souvent trouvés sur les surfaces des cristaux et aux limites des grains où il y a une rupture dans le réseau cristallin. Ces défauts entravent le mouvement des électrons et accélèrent la décomposition du matériau pérovskite.

Les ingénieurs savent déjà que l’intégration de molécules pacifiantes de défauts dans les pérovskites peut aider à fixer le plomb sous-coordonné, empêchant ainsi la formation d’autres imperfections à des températures élevées. Mais jusqu’à présent, les ingénieurs ne savaient pas exactement comment une molécule donnée affectait la résistance des cellules pérovskites.

En synthèse

« Nous voulions comprendre quelles caractéristiques des molécules améliorent spécifiquement la stabilité des pérovskites », a conclu Hongki Kim, ancien chercheur postdoctoral en génie chimique et l’un des premiers auteurs de l’étude. Les résultats de cette recherche pourraient avoir un impact significatif sur l’efficacité et la durabilité des cellules solaires, rendant l’énergie solaire plus accessible et plus économique pour tous.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les pérovskites ?

Les pérovskites sont une famille de minéraux qui ont la même structure cristalline. Elles sont utilisées dans une variété d’applications, notamment les cellules solaires.

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

Les pérovskites ont le potentiel de rendre les cellules solaires plus efficaces et moins coûteuses à produire.

Qu’est-ce qui cause la dégradation des pérovskites ?

Les pérovskites se dégradent lorsqu’elles sont exposées à la chaleur, à l’humidité et à l’air.

Comment les molécules pacifiantes de défauts peuvent-elles aider ?

Elles peuvent augmenter la stabilité des pérovskites et prolonger leur durée de vie.

Quels sont les avantages des cellules solaires en pérovskite ?

Elles sont potentiellement plus efficaces et moins coûteuses à produire que les cellules solaires traditionnelles.

Références

Légende illustration principale : Les cellules solaires en pérovskite comme celle-ci, fabriquées par le groupe de Xiwen Gong, pourraient rendre l’énergie solaire moins chère et plus respectueuse de l’environnement, mais elles se dégradent plus rapidement que le silicium. Dans une étude publiée dans la revue Matter, l’équipe a découvert comment faire durer le film noir de pérovskite plus longtemps. (Image : Zhengtao Hu, Gong Lab, Université du Michigan)

Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Cell sous le titre « Molecular Design of Defect Passivators for Thermally Stable Metal Halide Perovskite Films».

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