Stratégie de MoS2 mésoporeux pour augmenter l'efficacité et la stabilité des cellules solaires en pérovskite

31 octobre 2024

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

L'efficacité et les performances des cellules photovoltaïques (PV) ont considérablement augmenté au cours des dernières décennies, ce qui a entraîné une augmentation de l'adoption des technologies solaires. Pour améliorer davantage les performances des cellules solaires, les chercheurs en énergie du monde entier ont imaginé et testé des stratégies de conception alternatives, en exploitant différents matériaux et structures de cellules.

Une classe de cellules solaires qui ont donné des résultats prometteurs sont celles basées sur des pérovskites hybrides organiques-inorganiques, des matériaux présentant diverses propriétés avantageuses. Bien que ces cellules aient atteint des efficacités de plus de 25 %, elles sont souvent instables et sensibles à divers stimuli externes (par exemple, la lumière UV et l'oxygène), ce qui entrave leur déploiement à grande échelle.

Des chercheurs de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan, de l'Université de Corée et d'autres instituts ont récemment introduit une nouvelle stratégie possible pour augmenter l'efficacité et la stabilité des cellules solaires pérovskites. Cette stratégie, présentée dans un article publié dans Nature Nanotechnology, consiste à utiliser du disulfure de molybdène (MoS2) à structure mésoporeuse comme couche de transport électronique (ETL) dans les cellules solaires pérovskites.

« Les couches de transport d'électrons (ETL) à structure mésoporeuse dans les cellules solaires pérovskites (PSC) ont un contact de surface accru avec la couche pérovskite, permettant une séparation et une extraction efficaces des charges, ainsi que des dispositifs à haut rendement », ont écrit Donghwan Koo, Yunseong Choi et leurs collègues dans leur article.

« Cependant, le matériau le plus largement utilisé comme ETL dans les PSC, TiO2, nécessite une température de frittage de plus de 500 °C et subit une réaction photocatalytique sous l'éclairage incident qui limite la stabilité opérationnelle. Les efforts récents se sont concentrés sur la recherche de matériaux d'ETL alternatifs, tels que SnO2. »

S'appuyant sur les recherches antérieures, Koo, Choi et leurs collègues se sont efforcés d'améliorer les performances des cellules solaires pérovskites en utilisant des ETL avec une structure mésoporeuse. Cela signifie essentiellement que le matériau utilisé pour ces couches présente de minuscules pores (de 2 à 50 nm) de taille.

Ils ont spécifiquement utilisé du MoS2 mésoporeux, un matériau polyvalent aux propriétés optoélectroniques qui a déjà été utilisé pour développer des batteries, des photodétecteurs, des diodes électroluminescentes (LED) et d'autres technologies. Les chercheurs ont constaté que l'introduction d'un ETL en MoS2 mésoporeux donnait des cellules solaires présentant une efficacité supérieure à 25 % et une bonne stabilité.

« La couche d'intercalation de MoS2 augmente la surface de contact avec la couche pérovskite adjacente, améliorant la dynamique de transfert de charge entre les deux couches », ont écrit Koo, Choi et leurs collègues.

« De plus, la correspondance entre le MoS2 et les réseaux pérovskites facilite la croissance préférentielle de cristaux pérovskites avec une faible contrainte résiduelle, comparée à TiO2. En utilisant du MoS2 à structure mésoporeuse comme ETL, nous obtenons des cellules solaires pérovskites avec des efficacités de 25,7 % (0,08 cm2, certifiées 25,4 %) et 22,4 % (1,00 cm2). »

Dans des tests initiaux, les cellules solaires de l'équipe ont obtenu des résultats hautement prometteurs, comparables à ceux des cellules solaires avec un ETL en TiO2. Notamment, les cellules solaires pérovskites avec un MoS2 mésoporeux se sont révélées stables et ont conservé 90 % de leur efficacité initiale de conversion de puissance (PCE) après avoir fonctionné sous un éclairage continu pendant plus de 2 000 heures.

Ces résultats encourageants pourraient orienter les efforts futurs visant à accroître l'efficacité et la stabilité des cellules solaires pérovskites hybrides organiques-inorganiques en introduisant une couche en MoS2 à structure mésoporeuse. Ces efforts pourraient aider à amener les performances des cellules solaires pérovskites à un niveau comparable à celui des PV à base de silicium, contribuant à leur déploiement futur à grande échelle.

Plus d'informations: Donghwan Koo et al, Mesoporous structured MoS2 as an electron transport layer for efficient and stable perovskite solar cells, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01799-8.

Informations sur la revue: Nature Nanotechnology

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