Les ligands fluorés stabilisent les cellules solaires à pérovskite


Un nouveau type de ligand d’ammonium fluoré stabilise la surface des pérovskites aux halogénures de plomb. Les travaux marquent une étape clé dans la compréhension de la manière d’augmenter l’efficacité et la durabilité des cellules solaires à pérovskite.

L’une des principales causes de dégradation des cellules solaires à pérovskite est la mobilité des ions au niveau des défauts de surface. De tels défauts peuvent également réduire l’efficacité en fournissant des sites pour la recombinaison électron-trou. La plupart des cellules solaires en pérovskite intègrent donc un revêtement pour «passiver» les défauts.

Le revêtement de la surface avec une solution contenant des ligands d’ammonium prolonge la durée de vie en formant une couche 2D à la surface, qui semble protéger la pérovskite de la dégradation. Certains rapports remettent en question la stabilité de ces couches 2D à haute température, et les chercheurs ont donc recherché des ligands qui passivent les défauts sans altérer la structure pérovskite. Mais la nature exacte de l’interaction entre un ligand spécifique et une pérovskite est difficile à prédire ou à mesurer.

Dans le nouveau travail, des chercheurs aux États-Unis, au Canada et en Suisse ont utilisé plusieurs techniques spectroscopiques pour caractériser les interactions entre une sélection de ligands d’ammonium et deux pérovskites d’halogénure de plomb communes. Alors que des études antérieures ont utilisé des ligands volumineux pour éviter l’intercalation, les chercheurs ont découvert que le petit ligand ammonium anilinium pénétrait moins dans la structure que tout autre ligand testé, y compris le phényléthylammonium – le passivant le plus couramment utilisé. Malheureusement, c’était aussi moins efficace.

«Nous savions grâce à des études informatiques quel était le problème», explique le co-responsable du projet, So Min Park, qui a commencé les travaux à l’université de Toronto. “Nos calculs ont prédit qu’un ligand fluoré réduirait la formation 2D mais améliorerait également la liaison de surface.”

Gros plan d'une main dans un gant en latex violet tenant une petite cellule solaire

Les chercheurs ont synthétisé et testé plusieurs dérivés fluorés de l’anilinium. Des analyses théoriques et expérimentales ont montré que les molécules supprimaient efficacement plusieurs canaux de dégradation. Une cellule solaire à jonction unique fabriquée à l’aide de la pérovskite passivée a montré une efficacité de 20 % et l’a conservée pendant 1560 heures à 85 °C. “Pour l’industrie, vous avez besoin d’une durée de vie de plus de 25 ans, nous commençons donc à peine à comprendre ces mécanismes de dégradation et, espérons-le, en effectuant ces tests de vieillissement accéléré à des températures encore plus élevées, nous pourrons mieux comprendre les matériaux dont nous avons besoin pour les prévenir”, déclare Park , qui est maintenant basé à la Northwestern University dans l’Illinois.

Alan Kaplan, un étudiant diplômé de l’Université de Princeton, estime que la contribution la plus importante de l’article est la “conception rationnelle” du ligand. “Il y a un autre travail qui a un résultat de stabilité extrêmement impressionnant avec une structure de pérovskite 2D/3D, et il y a un travail précédent qui montre que ne pas former la pérovskite 2D ajoute de la stabilité, mais la profondeur de l’ensemble des matériaux [the current researchers] l’utilisation ajoute de l’importance car ils sont vraiment capables de déterminer la raison physique pour laquelle certains ligands pénètrent dans la pérovskite 3D et d’autres non. Quinn Burlingame, directeur postdoctoral de Kaplan, est d’accord : « Cette [work] seront cités dans de nombreux articles à venir qui présenteront de nouveaux ligands et de nouvelles couches 2D super stables», déclare-t-il. “Ce sera l’héritage de ce travail.”

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