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Une étude sur les solvants résout le casse-tête de la durabilité des cellules solaires


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.

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 furthermore 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 College of Engineering de Rice ont rapporté dans Science leur succès dans la design 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 call arrière”, a-t-il déclaré. 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 impediment majeur à la production commerciale.

“C’est critical à plusieurs niveaux”, a déclaré Mohite. “La première est qu’il est fondamentalement difficile de fabriquer une bicouche traitée en remedy lorsque les deux couches sont constituées du même matériau. Le problème est qu’elles se dissolvent toutes 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 furthermore efficaces mais moins stables. Leur combinaison intègre les meilleures caractéristiques des deux.

“Cela conduit à des rendements très élevés motor vehicle 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 furthermore de 2 000 heures “ne se dégrade même pas de 1%”, a-t-il déclaré. Sans compter un substrat de verre, les cellules avaient environ 1 micron d’épaisseur.

Le traitement par alternative 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 area 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 stage 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 approximativement quatre solvants qui vous permettent de dissoudre les pérovskites et de les enduire 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 moreover d’une couche active”, a déclaré le co-auteur Jacky Even, professeur de physique à l’Institut countrywide des sciences et technologies de Rennes, en France. “Le rêve de concevoir des architectures de semi-conducteurs complexes avec des pérovskites est sur le stage de se réaliser. De nouvelles programs 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 capables de produire de l’énergie et de la convertir en hydrogène”, a déclaré Mohite. “Cela pourrait également activer l’énergie solaire hors réseau pour les voitures, les drones.”

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 College 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 nationwide d’Argonne.

Le programme de la Path 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 Nationwide d’Argonne (DE-AC02-06CH11357), la Countrywide Science Foundation (1626418, 1719797) et le Division of Energy (DE-SC00