Une étude sur les solvants résout le casse-tête de la durabilité des cellules solaires : un projet dirigé par Rice pourrait rendre les cellules pérovskites prêtes pour les heures de grande écoute

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Une découverte des ingénieurs de l'Université Rice rapproche des cellules solaires à pérovskite bicouche efficaces et stables de la commercialisation. Les cellules ont une épaisseur d'environ un micron, avec des couches 2D et 3D.
CRÉDIT
Jeff Fitlow/Université Rice

Résumé:
Les ingénieurs de l'Université Rice affirment avoir résolu une énigme de longue date en fabriquant des panneaux solaires stables et efficaces à partir de pérovskites aux halogénures.

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Produit par Brandon Martin/Rice University

Une étude sur les solvants résout le casse-tête de la durabilité des cellules solaires : un projet dirigé par Rice pourrait rendre les cellules de pérovskite prêtes pour les heures de grande écoute

Houston, Texas | Publié le 23 septembre 2022

Il a fallu trouver la bonne conception de solvant pour appliquer une couche supérieure 2D de composition et d'épaisseur souhaitées sans détruire la couche inférieure 3D (ou vice versa). Une telle cellule transformerait plus de lumière solaire en électricité que l'une ou l'autre couche seule, avec une meilleure stabilité.

L'ingénieur chimiste et biomoléculaire Aditya Mohite et son laboratoire de la George R. Brown School of Engineering de Rice ont rapporté dans Science leur succès dans la construction de cellules solaires 3D/2D minces qui offrent une efficacité de conversion de puissance de 24.5 %.

C'est aussi efficace que la plupart des cellules solaires disponibles dans le commerce, a déclaré Mohite.

"C'est vraiment bon pour les cellules bifaciales flexibles où la lumière entre des deux côtés et aussi pour les cellules en contact arrière", a-t-il déclaré. "Les pérovskites 2D absorbent les photons bleus et visibles, et le côté 3D absorbe le proche infrarouge."

Les pérovskites sont des cristaux avec des réseaux cubiques connus pour être des collecteurs de lumière efficaces, mais les matériaux ont tendance à être stressés par la lumière, l'humidité et la chaleur. Mohite et bien d'autres ont travaillé pendant des années pour rendre pratiques les cellules solaires à pérovskite.

La nouvelle avancée, a-t-il dit, supprime en grande partie le dernier obstacle majeur à la production commerciale.

"C'est important à plusieurs niveaux", a déclaré Mohite. « La première est qu'il est fondamentalement difficile de fabriquer une bicouche traitée en solution lorsque les deux couches sont constituées du même matériau. Le problème est qu'ils se dissolvent tous les deux dans les mêmes solvants.

"Lorsque vous placez une couche 2D sur une couche 3D, le solvant détruit la couche sous-jacente", a-t-il déclaré. "Mais notre nouvelle méthode résout ce problème."

Mohite a déclaré que les cellules de pérovskite 2D sont stables, mais moins efficaces pour convertir la lumière du soleil. Les pérovskites 3D sont plus efficaces mais moins stables. Leur combinaison intègre les meilleures caractéristiques des deux.

"Cela conduit à des rendements très élevés car maintenant, pour la première fois sur le terrain, nous sommes en mesure de créer des couches avec un contrôle énorme", a-t-il déclaré. "Cela nous permet de contrôler le flux de charge et d'énergie non seulement pour les cellules solaires, mais aussi pour les appareils optoélectroniques et les LED."

L'efficacité des cellules de test exposées à l'équivalent en laboratoire de 100% de lumière solaire pendant plus de 2,000 1 heures "ne se dégrade même pas de 1%", a-t-il déclaré. Sans compter un substrat de verre, les cellules avaient environ XNUMX micron d'épaisseur.

Le traitement par solution est largement utilisé dans l'industrie et intègre une gamme de techniques - revêtement par centrifugation, revêtement par immersion, revêtement par lame, revêtement par matrice à fente et autres - pour déposer un matériau sur une surface dans un liquide. Lorsque le liquide s'évapore, le revêtement pur reste.

La clé est un équilibre entre deux propriétés du solvant lui-même : sa constante diélectrique et le nombre de donneur Gutmann. La constante diélectrique est le rapport de la perméabilité électrique du matériau à son espace libre. Cela détermine à quel point un solvant peut dissoudre un composé ionique. Le nombre de donneur est une mesure de la capacité de donneur d'électrons des molécules de solvant.

"Si vous trouvez la corrélation entre eux, vous constaterez qu'il existe environ quatre solvants qui vous permettent de dissoudre les pérovskites et de les enrober par centrifugation sans détruire la couche 3D", a déclaré Mohite.

Il a déclaré que leur découverte devrait être compatible avec la fabrication roll-to-roll qui produit généralement 30 mètres de cellule solaire par minute.

"Cette percée conduit, pour la première fois, à des hétérostructures de dispositifs pérovskites contenant plus d'une couche active", a déclaré le co-auteur Jacky Even, professeur de physique à l'Institut national des sciences et technologies de Rennes, en France. « Le rêve de concevoir des architectures de semi-conducteurs complexes avec des pérovskites est sur le point de se réaliser. De nouvelles applications et l'exploration de nouveaux phénomènes physiques seront les prochaines étapes.

"Cela a des implications non seulement pour l'énergie solaire, mais aussi pour l'hydrogène vert, avec des cellules qui peuvent produire de l'énergie et la convertir en hydrogène", a déclaré Mohite. "Cela pourrait également activer l'énergie solaire hors réseau pour les voitures, les drones, le photovoltaïque intégré au bâtiment ou même l'agriculture."

L'étudiant diplômé de Rice, Siraj Sidhik, est l'auteur principal de l'article. Les co-auteurs affiliés à Rice sont Yafei Wang, étudiant en échange ; les étudiants diplômés Andrew Torma, Xinting Shuai, Wenbin Li et Ayush Agarwal ; les chercheurs Tanguy Terlier et Anand Puthirath ; Matthew Jones, professeur adjoint Norman et Gene Hackerman en chimie et science des matériaux et nanoingénierie; et Pulickel Ajayan, professeur d'ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie, de chimie et d'ingénierie chimique et biomoléculaire. Les autres co-auteurs sont le chercheur postdoctoral Michael De Siena et Mercouri Kanatzidis, professeur de chimie à la Northwestern University ; ancien élève Reza Asadpour et Muhammad Ashraful Alam, professeur Jai N. Gupta de génie électrique et informatique, de l'Université Purdue; le chercheur postdoctoral Kevin Ho, le chercheur scientifique Rajiv Giridharagopal et David Ginger, titulaire de la chaire de chimie B. Seymour Rabinovitch, de l'Université de Washington, Seattle ; les chercheurs Boubacar Traoré et Claudine Katan de l'Université de Rennes ; et Joseph Strzalka, physicien au Laboratoire national d'Argonne.

Le programme de la Direction de l'Efficacité Energétique et des Energies Renouvelables (0008843), l'Institut Universitaire de France, le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union Européenne (861985), l'Office de la Recherche Navale (N00014-20-1-2725), le Laboratoire National d'Argonne (DE-AC02-06CH11357), la National Science Foundation (1626418, 1719797) et le Department of Energy (DE-SC0013957).

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A propos de l'Université Rice
Située sur un campus boisé de 300 acres à Houston, l'Université Rice est régulièrement classée parmi les 20 meilleures universités du pays par US News & World Report. Rice possède des écoles d'architecture, de commerce, d'études permanentes, d'ingénierie, de sciences humaines, de musique, de sciences naturelles et sociales très respectées et abrite le Baker Institute for Public Policy. Avec 4,240 3,972 étudiants de premier cycle et 6 1 étudiants des cycles supérieurs, le ratio étudiants / professeurs de premier cycle de Rice est légèrement inférieur à 1 pour 1. Son système de collèges résidentiels construit des communautés soudées et des amitiés durables, une des raisons pour lesquelles Rice est classée n ° XNUMX pour de nombreuses interactions race / classe et n ° XNUMX pour la qualité de vie par le Princeton Review. Rice est également considérée comme la meilleure valeur parmi les universités privées par les finances personnelles de Kiplinger.

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