La cellule solaire avec la couche de ferrocène mise en évidence. Crédit : Li et al. 2022
De nouveaux dispositifs de cellules solaires moins chers et plus faciles à fabriquer pourraient bientôt faire leur apparition sur le marché grâce à des matériaux fabriqués à l’Université d’Oxford. Imperial College London.
Les cellules solaires traditionnelles sont faites de silicium, qui a un rendement et une stabilité élevés, mais qui est très cher à produire et ne peut être fabriqué que sous forme de panneaux rigides.
Les cellules solaires pérovskites offrent une alternative intéressante ; elles peuvent être imprimées à partir d’encres, ce qui les rend peu coûteuses, minces, légères, très efficaces et flexibles. Elles sont toutefois restées à la traîne des cellules solaires au silicium en termes d’efficacité et, surtout, de stabilité, se dégradant dans des conditions environnementales normales.
De nouveaux matériaux contenant des métaux, appelés ferrocènes, pourraient contribuer à résoudre ces problèmes. Des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU) ont ajouté des ferrocènes de fabrication impériale dans des cellules solaires en pérovskite, améliorant ainsi considérablement leur efficacité et leur stabilité. Les résultats sont publiés aujourd’hui (21 avril 2022) dans la revue Science.
Le co-auteur principal, le professeur Nicholas Long, du département de chimie de l’Imperial College, a déclaré : “Les cellules en silicium sont efficaces mais coûteuses, et nous avons besoin de toute urgence de nouveaux dispositifs d’énergie solaire pour accélérer la transition vers les énergies renouvelables. Les cellules pérovskites stables et efficaces pourraient à terme permettre d’utiliser l’énergie solaire dans un plus grand nombre d’applications, qu’il s’agisse d’alimenter les pays en développement ou de recharger une nouvelle génération d’appareils portables.
“Notre collaboration avec nos collègues de Hong Kong est le fruit d’un heureux hasard. Elle est née après que j’ai donné une conférence sur les nouveaux composés de ferrocène et que j’ai rencontré le Dr Zonglong Zhu de la CityU, qui m’a demandé d’envoyer quelques échantillons. Quelques mois plus tard, l’équipe de la CityU nous a dit que les résultats étaient passionnants et nous a demandé d’envoyer d’autres échantillons, ce qui a marqué le début d’un programme de recherche qui a abouti à des dispositifs en pérovskite à la fois plus efficaces et plus stables.”
Le pouvoir des ferrocènes
La pérovskite forme la couche ” récolteuse de lumière ” des dispositifs de cellules solaires. Cependant, ces dispositifs ont été moins efficaces pour convertir l’énergie solaire en électricité que les cellules solaires à base de silicium, principalement parce que les électrons sont moins “mobiles” – ils sont moins capables de se déplacer de la couche de récolte vers les couches de conversion de l’électricité.
Les ferrocènes sont des composés dont le centre est constitué de fer, entouré d’anneaux de carbone en sandwich. La structure unique du ferrocène a été reconnue pour la première fois par le professeur Geoffrey Wilkinson, lauréat du prix Nobel à l’Imperial College, en 1952, et les ferrocènes font encore l’objet de recherches dans le monde entier pour leurs propriétés uniques.
L’une des propriétés que leur structure leur confère est une excellente richesse électronique, qui, dans ce cas, permet aux électrons de se déplacer plus facilement de la couche de pérovskite aux couches suivantes, améliorant ainsi l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire en électricité.
Les tests effectués par l’équipe CityU et dans des laboratoires commerciaux montrent que l’efficacité des dispositifs en pérovskite auxquels on a ajouté une couche de ferrocène peut atteindre 25%, ce qui s’approche de l’efficacité des cellules traditionnelles en silicium.
D’une pierre deux coups
Mais ce n’est pas le seul problème que les matériaux à base de ferrocène ont résolu. L’équipe de l’Impérial a expérimenté la fixation de différents groupes chimiques sur les anneaux de carbone du ferrocène. Après avoir envoyé à l’équipe de Hong Kong plusieurs versions de ces groupes, réalisées par l’étudiante en doctorat Stephanie Sheppard, les collaborateurs ont découvert une version qui améliore considérablement la fixation des couches de pérovskite au reste du dispositif.
Ce pouvoir de fixation supplémentaire a amélioré la stabilité des dispositifs, ce qui signifie qu’ils ont conservé plus de 98 % de leur efficacité initiale après avoir fonctionné en continu à la puissance maximale pendant 1 500 heures. L’efficacité et la stabilité obtenues grâce à l’ajout d’une couche de ferrocène rapprochent ces dispositifs en pérovskite des normes internationales actuelles pour les cellules de silicium traditionnelles.
Le chercheur principal, le Dr Zonglong Zhu de CityU, a déclaré : “Nous sommes la première équipe à réussir à booster la cellule solaire en pérovskite inversée pour atteindre un rendement record de 25 % et à passer le test de stabilité fixé par la Commission électrotechnique internationale.”
L’équipe a fait breveter sa conception et espère obtenir une licence, afin de commercialiser ses dispositifs à pérovskite. En attendant, ils expérimentent différents modèles de ferrocène pour améliorer encore les performances et la stabilité des dispositifs.
Référence : “Interfaces organométalliques fonctionnalisées pour une perovskite inversée hautement efficace”.cellules solaires” 21 avril 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abm8566
