Un additif à bas coût pour résoudre le problème de stabilité de la pérovskite

D’après pv magazine Australie

Au terme de trois années de travail, des chercheurs de l’Université de la Nouvelle Galles du Sud (UNSW) ont découvert ce qu’ils présentent comme un additif bon marché à base de soufre capable de renforcer la stabilité des cellules solaires à pérovskite sans réduire leur efficacité.

Cet additif, appelé 1-DDT (dodécanethiol), est « multifonction », ce qui n’a pas manqué d’étonner l’équipe travaillant pour la School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering de l’UNSW. En plus de stabiliser le lithium utilisé dans la couche de transport de trous des cellules à pérovskite pour atteindre un rendement élevé, l’additif provoque une oxydation et empêche l’infiltration de l’eau, deux facteurs qui contribuent à la stabilité.

« Le 1-DDT bloque le lithium dans cette couche. Je pense que cela constitue une contribution majeure et un mécanisme sous-jacent clé pour la stabilité de celle-ci », explique Xiaojing Hao à pv magazine Australie.

À seulement 0,031 € le gramme, cet additif ne remet pas en cause la promesse d’une fabrication à faible coût que fait miroiter la pérovskite.

Les cellules à pérovskite fabriquées à l’aide de ce nouvel additif ont été en mesure de conserver plus de 90 % de leur rendement initial après avoir fonctionné à leur point de puissance maximal dans des conditions d’irradiation de 1 sun pendant 1 000 heures, et plus de 93 % de leur rendement initial après avoir passé 2 000 heures dans des conditions de circuit ouvert et une irradiation de 1 sun. Les résultats annoncés sont les meilleurs jamais enregistrés en Australie, et figurent parmi les plus élevés au monde.

Les résultats de ces travaux, publiés dans Nature Photonics, ont été rédigés conjointement avec le Professeur Martin Green, connu comme le « père » des cellules solaires modernes, sous la houlette de Xu Liu, l’auteur principal.

Légende photo: Le groupe de recherche de Xiaojing Hao de l’UNSW, avec Martin Green devant à droite, aux côtés de Xiaojing Hao.

Le problème

Le rendement élevé de la pérovskite est certes avéré, mais « nous avons tous toujours des doutes quant à sa stabilité sur le long terme », indique Xiaojing Hao.

Jusqu’à présent, les cellules à pérovskite présentaient un compromis entre haut rendement et bonne stabilité grâce à ce qu’on appelle la couche de transport de trous. L’un des matériaux les plus couramment utilisés pour la couche de transport de trous des cellules à pérovskite est le Spiro-OMeTAD.

Le Spiro, comme l’appelle Xiaojing Hao, est à l’origine de toutes les cellules à pérovskite ayant enregistré des rendements records supérieurs à 25 %.

Mais si le Spiro donne d’excellents résultats au niveau du rendement, il nécessite un dopage chimique avec un composé au lithium, ce qui, d’après les résultats de l’équipe de l’UNSW, amoindrit la stabilité de la cellule. « Le lithium est la cause des problèmes de stabilité », explique Xiaojing Hao, mais c’est aussi « l’ingrédient secret » qui confère à la couche ses caractéristiques électriques intéressantes.

Après avoir identifié que les problèmes du Spiro découlaient de la nécessité de le doper au sel de lithium, l’équipe de l’UNSW a entrepris de trouver un moyen de « bloquer » le lithium dans la couche. En s’inspirant des travaux de recherche menés sur les batteries lithium-soufre, dont les conclusions indiquent que l’association du lithium et du soufre donne des composés stables, l’équipe a commencé ses expériences sur des produits chimiques à base de soufre.

« Mais nous ne nous attendions pas à ce que cela engendre quelque chose qui serve également d’agent oxydant. Nous avons tous été surpris », ajoute Xiaojing Hao.

La réponse multifonction du 1-DDT

Les scientifiques ont découvert que l’additif 1-DDT a une « triple fonction » : en plus de bloquer le lithium dans la couche du Spiro, il provoque un processus d’oxydation critique. Ce processus, à la fois rapide et maîtrisable, élimine la nécessité d’un processus qui dure généralement plusieurs jours. D’après l’équipe de l’UNSW, cette caractéristique est importante pour la production à haut débit des cellules à pérovskite en vue de leur commercialisation.

En plus de cela, l’additif 1-DDT transforme la couche de Spiro, à l’origine hydrophile (qui absorbe l’humidité), en matériau hydrophobe résistant à l’infiltration de l’eau, ce qui augmente encore la stabilité hygrométrique de la cellule. Ces éléments dans leur ensemble améliorent également la morphologie de la couche, bloquent les dopants mobiles et ralentissent les migrations d’ions.

L’équipe de l’UNSW indique que cette association contribue à l’augmentation de l’efficacité des cellules à pérovskite ainsi qu’à « l’amélioration significative de leur stabilité » dans différentes conditions d’air ambiant, d’humidité, de température et d’éclairage continu.

Les étapes suivantes

L’équipe de l’UNSW détient actuellement un brevet provisoire pour l’additif 1-DDT. D’après Xiaojing Hao, l’équipe veut ensuite établir un rendement record avec ses cellules. Elle espère également que ses résultats en termes de stabilité seront bientôt confirmés dans le cadre d’essais de température et d’éclairage combinés.

« Ce que nous voulons, c’est que ces [résultats de stabilité] soient combinés et dans l’idéal, en dernier lieu, un test de stabilité en conditions réelles, déclare-t-elle. Cette partie du travail représente un défi, auquel nous nous attelons à présent ».

Traduction assurée par Christelle Taureau.

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