Technologie de capture d’iode en mouvement pour améliorer la stabilité des cellules solaires pérovskite

Introduction

Les cellules solaires à pérovskite (PSCs), en raison de leur haute efficacité et de leur faible coût, sont considérées comme un matériau de choix pour la future génération de photovoltaïque. Cependant, la stabilité intrinsèque des matériaux pérovskite, en particulier la photolyse et la migration ionique, affecte sérieusement leur application pratique. Plus précisément, les défauts tels que les ions iodure et les lacunes d’iode provoquent des réactions chimiques auto-accélérées sous lumière et tension, entraînant une dégradation rapide des matériaux pérovskite. Par conséquent, la recherche de méthodes pour capturer et stabiliser les défauts liés à l’iode est cruciale pour améliorer la stabilité des PSCs.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Xiaoxue Ren, Jifei Wang, Yun Lin, Yingwei Wang, Haipeng Xie, Han Huang, Bin Yang, Yanfa Yan, Yongli Gao, Jun He, Jinsong Huang et Yongbo Yuan, tous issus d’institutions telles que le College of Materials Science and Engineering de l’Université de Hunan, la School of Physics and Electronics de l’Université Centrale du Sud, et le Department of Physics and Astronomy de l’Université de Toledo. L’article est publié dans la revue Nature Materials, DOI : https://doi.org/10.1038/s41563-024-01876-2.

Processus de l’étude

L’étude vise à protéger les cellules solaires pérovskite en proposant une nouvelle stratégie qui capture l’iode libéré de manière dynamique et empêche la perte d’ions iodure. Les étapes expérimentales détaillées dans l’article incluent:

1. Introduction de molécules d’iode exogène : Les chercheurs ont introduit des molécules d’iode exogène (I2) sur la surface pérovskite via un revêtement tournant d’une solution d’iode/isopropanol, simulant les conditions de dégradation accélérée de l’iode. Ils ont découvert que ces molécules introduites accélèrent la dégradation de la pérovskite sous éclairage.

2. Protection par acides de Lewis mous : En recouvrant la surface de la pérovskite avec de petites quantités d’acides de Lewis mous comme le C60, le PCBM, le PFi et le 5FiB, ils ont constaté que ces matériaux peuvent capturer efficacement les molécules d’iode et retarder significativement la dégradation de la pérovskite. Les tests montrent que les films de pérovskite avec une couche de C60 sont environ dix fois plus stables sous rayonnement UV.

3. Validation par cartographie spectroscopique Raman : La cartographie spectroscopique Raman a montré que la couche de C60 peut capturer efficacement les anions iodure (I3-) que ce soit au-dessus ou en dessous de la couche d’analyse, démontrant ainsi que la capacité de capture de l’iode des acides de Lewis mous est systématique.

4. Comparaison des différents agents de capture : En comparant les énergies de liaison de divers matériaux de transport d’électrons organiques comme le PCBM, le C60 avec des iodures tels que le Fai, le CSi ou le PBi2, ils ont trouvé que le PFi a la meilleure capacité à capturer l’iode. Cela est dû au fort caractère attracteur d’électrons des atomes d’iode à l’extrémité de la chaîne carbone-fluor du PFi, capable de se lier efficacement aux charges négatives like I- ou IX-.

5. Application de la capture dynamique de l’iode pour la stabilité : En réponse à l’instabilité sous polarisation inverse, les cellules solaires utilisant le PFi/PCBM/C60 comme couche de transport d’électrons ont affiché une bonne stabilité même dans des conditions extrêmes, tandis que les cellules non optimisées ont rapidement perdu leur efficacité.

Résultats principaux

1. Mécanisme de protection: L’étude confirme que le PFi et le C60 capturent les iodes libérés ou les radicaux d’iode dans le film de pérovskite, inhibant efficacement la migration ionique, empêchant la corrosion du métal à l’interface et améliorant la stabilité sous polarisation inverse.

2. Amélioration significative de la stabilité : Les cellules solaires pérovskite inversées avec une couche de PFi/PCBM/C60 maintiennent 90% de leur efficacité initiale après 100 heures sous polarisation inverse, améliorant la stabilité de trois ordres de grandeur. De plus, ces cellules présentent une stabilité nettement améliorée sous lumière UV et conditions thermo-luminescentes, avec des améliorations respectives d’environ dix et trente fois.

3. Prévention des pertes d’iode, augmentation du rendement de fabrication : Pendant le processus de fabrication, la couche de PFi empêche efficacement la perte d’ions iodure, réduisant la concentration initiale des lacunes d’iode dans le produit final et augmentant significativement le rendement de fabrication.

4. Amélioration de l’efficacité de conversion photovoltaïque : La direction du dipôle des molécules de PFi favorise la collecte des charges, améliorant ainsi à la fois la tension en circuit ouvert (Voc) et l’efficacité de conversion photovoltaïque (PCE) des cellules solaires pérovskite utilisant le PFi/PCBM/C60 comme couche de transport d’électrons.

Conclusion et valeur

Cette étude propose une nouvelle méthode d’amélioration significative de la stabilité lumineuse, thermique et électrique des cellules solaires pérovskite par la capture des iodures à l’interface. L’utilisation du PFi/PCBM/C60 comme couche de transport d’électrons non seulement renforce la stabilité des cellules, mais améliore également l’efficacité de conversion photovoltaïque, fournissant une garantie fiable pour les applications pratiques. Cette innovation est cruciale pour accélérer la commercialisation des cellules solaires pérovskite.

En améliorant la capacité de capture ionique par l’orientation des liaisons halogènes et en évitant la baisse de performance sous polarisation inverse, cette recherche offre une nouvelle direction pour l’industrie photovoltaïque pérovskite efficace et stable, démontrant un potentiel et une valeur applicative immense.