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Les scientifiques deviennent des cellules solaires hybrides Perov plus sûres

Échantillons de laboratoire de cellules solaires

Deux échantillons de laboratoire de cellules solaires, un (à droite) avec un film protecteur qui absorbe le plomb à l’arrière. Crédit: Northern Illinois University

Des chercheurs de la Northern Illinois University et du U.S.New Renewable Energy Laboratory (DOE) de NREL à Golden, Colorado, ont rendu compte le 19 février 2020 dans la revue Nature d’une percée potentielle dans le développement de cellules hybrides de pérovskite solaire.

Considérées comme des étoiles montantes dans le domaine de l’énergie solaire, les cellules solaires Perovsky convertissent la lumière en électricité. Ils sont probablement moins chers et plus faciles à fabriquer que les cellules solaires traditionnelles à base de silicium et, au moins à petite échelle, en laboratoire, ont montré des niveaux d’efficacité comparables. Mais des défis majeurs demeurent avant qu’ils ne deviennent une technologie commerciale compétitive.

L’un des principaux défis est l’utilisation du plomb. La plupart des cellules solaires hybrides pérovskites capricieuses contiennent du plomb soluble dans l’eau, ce qui soulève des inquiétudes quant aux fuites potentielles des cellules endommagées.

Dirigée par Tao Xu de NIU et Kai Zhu de NREL, une équipe de scientifiques a développé une technique de séquençage du plomb utilisée pour fabriquer des cellules solaires de pérovskite et minimiser les fuites toxiques potentielles en appliquant des films absorbant le plomb à l’avant et à l’arrière de la cellule solaire. .

Xun Li et Tao Xu

Xun Li (à gauche), chercheur en chimie et biochimie avec les cellules solaires NIU, et Tao Xu, professeur de chimie et de biochimie. Crédit: Northern Illinois University

« La question de la toxicité du plomb a été l’un des défis les plus récents et les plus complets dans le domaine des cellules solaires à pérovskite », a déclaré Xu, professeur de chimie à NIU. « Nous pensons que nous avons un remède très prometteur pour ce problème – et cela pourrait être un changement de jeu.

« En cas de dommages cellulaires, notre appareil capture la grande majorité du plomb, l’empêchant de fuir dans les eaux souterraines et le sol. Les films que nous utilisons sont insolubles dans l’eau. « 

Dans des conditions de graves dommages aux cellules solaires dans les laboratoires, les feuilles absorbant le plomb ont assuré 96% des fuites de plomb, selon les scientifiques. Leurs expériences montrent en outre que les couches absorbant le plomb n’affectent pas négativement la fonction cellulaire ou la stabilité à long terme.

Les cellules solaires en pérovskite sont ainsi nommées car elles utilisent une classe de structures cristallines similaires à celles trouvées dans un minéral connu sous le nom de pérovskite. Le composé à structure pérovskite au sein de ces cellules solaires est le plus souvent un matériau hybride à base d’halogénures halogénures organiques et inorganiques de plomb.

Prévention des fuites de plomb dans les cellules solaires en pérovskite

Crédit: Northern Illinois University

Les scientifiques ont commencé à étudier ces structures cristallines pour une utilisation dans les cellules solaires il y a seulement une décennie et ont rapidement augmenté l’efficacité de leur conversion en énergie solaire. Alors que les cellules solaires traditionnelles en silicium sont produites par des processus précis utilisant des températures élevées, les pérovskites peuvent être produites en utilisant des solutions chimiques à température ambiante.

« La nouvelle approche de séquestration des dispositifs » peut facilement s’adapter aux configurations actuelles de cellules solaires en pérovskite, a déclaré Xu.

Un film transparent qui absorbe le plomb est appliqué sur le verre conducteur à l’avant de la cellule solaire. Le film de séquestration contient un phosphonate fort qui lie le plomb acide groupes, mais n’interfère pas avec la capture de la lumière cellulaire. Un film polymère moins cher mélangé à des agents chélatants est utilisé sur l’électrode métallique arrière, ce qui ne nécessite pas de transparence.

« Les matériaux sont hors d’usage, mais n’ont jamais été utilisés à cette fin », a déclaré Xu. « La lumière doit pénétrer dans la cellule pour être absorbée par la couche de pérovskite, et le film à l’avant agit en fait comme un agent antireflet, améliorant seulement un peu de transparence. »

Les tests de fuite de plomb comprenaient des marteaux et du verre brisé à l’avant des cellules mesurant 2,5 x x 2,5 cm et grattant l’arrière des cellules solaires avec un rasoir, avant de les immerger dans l’eau. Les films peuvent absorber la grande majorité du plomb dans les cellules gravement endommagées en raison de la pénétration de l’eau.

« Il convient de noter que l’approche démontrée de la collecte de plomb est applicable à d’autres technologies à base de pérovskite, telles que l’éclairage à semi-conducteurs, les écrans et les applications de capteurs », a déclaré Zhu, scientifique principal au NREL.

Instruction: « Séquestration du plomb sur un appareil pour cellules solaires Perov » Xun Li, Fei Zhang, Haiying He, Joseph J. Berry, Kai Zhu et Tao Xu, 19 février 2020, La nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2001-x

Les scientifiques ont déposé une demande de brevet pour leurs films absorbant le plomb. D’autres auteurs de l’étude de recherche incluent l’étudiant diplômé NIU Xun Li; Haiying He de l’Université de Valparaiso; et Fei Zhang et Joseph Berry de NREL.

La recherche a été financée par la National Science Foundation et le DOE Office of Solar Energy. L’Office of Solar Energy fournit également une aide financière pour la poursuite du développement de films de plomb pour la séquestration des cellules solaires hybrides en pérovskite.

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