Les cellules solaires à pérovskite ont progressé ces dernières années avec une augmentation rapide du rendement de conversion d'énergie (de 3 % en 2006 à 25.5 % aujourd'hui), ce qui les rend plus compétitives par rapport aux cellules photovoltaïques à base de silicium. Cependant, un certain nombre de défis restent à relever avant qu'ils puissent devenir un acteur commercial compétitif. sans souci.
Une équipe de la NYU Tandon School of Engineering a développé un processus pour résoudre l'un d'entre eux, un goulot d'étranglement dans une étape critique impliquant le dopage de type p de matériaux organiques de transport de trous dans les cellules photovoltaïques. La recherche, « CO2 dopage des intercalaires organiques pour les cellules solaires à pérovskite », apparaît dans Nature.
Actuellement, le processus de dopage p, obtenu par l'entrée et la diffusion d'oxygène dans la couche de transport des trous, prend beaucoup de temps (plusieurs heures à un jour), ce qui rend la production commerciale de masse de cellules solaires à pérovskite peu pratique.
L'équipe Tandon, dirigée par André D. Taylor, professeur agrégé, et Jaemin Kong, associé post-doctoral, ainsi que Miguel Modestino, professeur adjoint - tous au Département de génie chimique et biomoléculaire - ont découvert une méthode pour augmenter considérablement la rapidité de cette étape clé grâce à l'utilisation de dioxyde de carbone (CO2) au lieu de l'oxygène.
Dans les cellules solaires à pérovskite, des semi-conducteurs organiques dopés sont normalement requis en tant qu'intercalaires d'extraction de charge situés entre la couche de pérovskite photoactive et les électrodes. Les moyens conventionnels de dopage de ces intercalaires impliquent l'ajout de lithium bis(trifluorométhane)sulfonimide (LiTFSI), un sel de lithium, à spiro-OMeTAD, un -conjugué organique Semi-conducteurs largement utilisé pour un matériau de transport de trous dans les cellules solaires à pérovskite. Le processus de dopage est ensuite initié en exposant les films de mélange spiro-OMeTAD:LiTFSI à l'air et à la lumière.
Non seulement cette méthode prend du temps, mais elle dépend en grande partie des conditions ambiantes. En revanche, Taylor et son équipe ont signalé une méthode de dopage rapide et reproductible qui consiste à faire barboter une solution spiro-OMeTAD:LiTFSI avec du CO2 sous lumière ultraviolette. Ils ont découvert que leur procédé augmentait rapidement la conductivité électrique de la couche intermédiaire de 100 fois par rapport à celle d'un film de mélange vierge, qui est également environ 10 fois supérieure à celle obtenue à partir d'un processus de barbotage d'oxygène. Le CO2 Le film traité a également permis d'obtenir des cellules solaires à pérovskite stables et à haute efficacité sans aucun post-traitement.
"En plus de raccourcir le temps de fabrication et de traitement du dispositif, l'application du spiro-OMeTAD pré-dopé dans les cellules solaires à pérovskite rend les cellules beaucoup plus stables", a expliqué Kong, l'auteur principal. "C'est en partie parce que la plupart des ions lithium nocifs dans la solution spiro-OMeTAD:LiTFSI ont été stabilisés sous forme de carbonates de lithium pendant le CO2 processus de bouillonnement.
Il a ajouté que les carbonates de lithium finissent par être filtrés lorsque les enquêteurs lancent la solution pré-dopée sur la couche de pérovskite. « Ainsi, nous pouvons obtenir des matériaux organiques dopés assez purs pour des couches de transport de trous efficaces. »
L'équipe, qui comprenait des chercheurs de Samsung, de l'Université de Yale, du Korea Research Institute of Chemical Technology, du Graduate Center of the City University, de l'Université de Wonkwang et du Gwangju Institute of Science and Technology a également constaté que le CO2 La méthode de dopage peut être utilisée pour le dopage de type p d'autres polymères conjugués , tels que PTAA, MEH-PPV, P3HT et PBDB-T. Selon Taylor, les chercheurs cherchent à repousser les limites au-delà des semi-conducteurs organiques typiques utilisés pour les cellules solaires.
« Nous pensons qu'une large applicabilité du CO2 le dopage à diverses molécules organiques conjuguées π stimule la recherche allant des cellules solaires organiques aux diodes électroluminescentes organiques (OLED) et aux transistors organiques à effet de champ (OFET), même aux dispositifs thermoélectriques qui nécessitent tous un dopage contrôlé des semi-conducteurs organiques », a expliqué Taylor , ajoutant que puisque ce processus consomme une assez grande quantité de CO2 gaz, il peut également être envisagé pour le CO2 études de capture et de séquestration à l'avenir.
« À une époque où les gouvernements et les entreprises cherchent désormais à réduire les émissions de CO2 sinon à décarboniser, cette recherche offre une piste pour faire réagir de grandes quantités de CO2 dans le carbonate de lithium pour améliorer les cellules solaires de nouvelle génération, tout en éliminant ce gaz à effet de serre de l'atmosphère », a-t-il expliqué, ajoutant que l'idée de cette nouvelle approche était un aperçu contre-intuitif de la recherche de l'équipe sur les batteries.
« De notre longue histoire de travail avec des batteries lithium-oxygène/air, nous savons que la formation de carbonate de lithium résultant de l'exposition des électrodes à oxygène à l'air est un grand défi car elle épuise la batterie en ions lithium, ce qui détruit la capacité de la batterie. Dans cette réaction de dopage spiro, cependant, nous exploitons en fait la formation de carbonate de lithium, qui lie le lithium et l'empêche de devenir des ions mobiles préjudiciables à la stabilité à long terme de la perovskite cellule photovoltaïque. Nous espérons que ce CO2 La technique de dopage pourrait être un tremplin pour surmonter les défis existants dans l'électronique organique et au-delà. »