Des additifs volumineux pourraient prolonger la durée de vie des cellules solaires moins chères

11 janvier 2024 (Actualités Nanowerk) Un aperçu de la prévention semi-conducteurs pérovskites from degrading quickly, discovered at the University of Michigan, could help enable solar cells estimated to be two to four times cheaper than today’s thin-film solar panels. The findings have been published in Cellule (“Molecular Design of Defect Passivators for Thermally Stable Metal Halide Perovskite Films”). Perovskites may also be combined with the silicon-based semiconductors that are prevalent in today’s solar panels to create “tandem” solar cells that could surpass the maximum theoretical efficiency of silicon solar cells. Perovskite solar cells like this one, made by Xiwen Gong’s group, could make solar energy cheaper and more environmentally friendly—but they degrade faster than silicon. In a study published in the journal Matter, the team discovered how to make the black perovskite film last longer. (Image: Zhengtao Hu, Gong Lab, University of Michigan) “Silicon solar cells are great because they are very efficient and can last for a very long time, but the high efficiency comes with a high cost,” said Xiwen Gong, U-M assistant professor of chemical engineering. “To make high-purity silicon, temperatures over 1,000 degrees Celsius are needed. Otherwise, the efficiency won’t be as good.” The high temperature comes with higher economic and environmental costs. But while perovskites can be produced at lower temperatures, they degrade when exposed to heat, moisture and air. As a result, the lifespan of perovskite today is too short to be commercially competitive in solar panels. Gong’s research aims to make hardier perovskite solar cells, and her latest study published in the journal Matter suggests that bulky “defect pacifying” molecules are best at increasing the perovskites’ stability and overall lifespan. Perovskite crystals contain lead atoms that aren’t fully bound to the other components within the perovskite. Such “undercoordinated sites” are defects often found on the crystal surfaces and at grain boundaries where there’s a break in the crystal lattice. These defects hinder the movement of electrons and speed up the decay of the perovskite material. Xiwen Gong’s team designed these three molecular additives to study how an additive’s size and configuration impacts the stability of perovskite films, a class of materials that could be used to make high efficiency, low cost solar cells. 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 pérovskite, appelés joints de grains. Le réseau de pérovskite est représenté par un réseau de losanges jaunes tandis que les sites de défauts sont représentés par des cercles 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 également la taille globale des grains au cours du processus de fabrication. Des grains de pérovskite plus gros entraînent une densité plus faible des joints de grains dans tout 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) Les ingénieurs savent déjà que le mélange de molécules apaisantes de défauts dans les pérovskites peut aider à verrouiller le fil sous-coordonné, empêchant ainsi la formation d'autres imperfections à haute température. But until now, engineers didn’t know exactly how a given molecule affected the hardiness of perovskite cells. "Nous voulions déterminer quelles caractéristiques des molécules améliorent spécifiquement la stabilité de la pérovskite", a déclaré Hongki Kim, ancien chercheur postdoctoral en génie chimique et l'un des premiers auteurs de l'étude. To investigate the problem, Gong’s team created three additives with a range of shapes and sizes and added them into thin films of perovskite crystals, which can absorb light and convert it to electricity. Chaque additif contenait des éléments chimiques identiques ou similaires, ce qui faisait de la taille, du poids et de la disposition les principales propriétés qui les différenciaient. Ensuite, l’équipe a mesuré la force avec laquelle les différents additifs interagissaient avec les pérovskites et influençaient par conséquent la formation de défauts dans les films. Les molécules plus grosses en termes de masse adhèrent mieux à la pérovskite car elles possèdent davantage de sites de liaison qui interagissent avec les cristaux de pérovskite. En conséquence, ils avaient tendance à mieux prévenir la formation de défauts. Mais les meilleurs additifs devaient également prendre beaucoup de place. Des molécules grosses mais fines ont donné lieu à des grains de pérovskite plus petits au cours du processus de fabrication. Smaller grains aren’t ideal because they also create perovskite cells with more grain boundaries, or more areas for defects to form. En revanche, des molécules volumineuses ont forcé la formation de grains de pérovskite plus gros, ce qui a réduit la densité des joints de grains dans le film. Chauffer les films de pérovskite à plus de 200 degrés Celsius a confirmé que des additifs volumineux aidaient les films à conserver davantage leur couleur noire d'ardoise caractéristique et à développer moins de défauts structurels.

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• La source: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64399.php