Utilisation des terres rares pour surmonter les limites des cellules solaires
Cellules solaires à pérovskite Les cellules solaires à pérovskite présentent des avantages par rapport à la technologie actuelle. Elles sont potentiellement plus efficaces, légères et moins coûteuses que d'autres variantes. Dans une cellule solaire à pérovskite, la couche de pérovskite est prise en sandwich entre une électrode transparente à l'avant et une électrode réfléchissante à l'arrière de la cellule. Des couches de transport d'électrodes et de transport de trous sont insérées entre les interfaces de cathode et d'anode, ce qui facilite la collecte de charge au niveau des électrodes. Il existe quatre classifications de cellules solaires à pérovskite basées sur la structure morphologique et la séquence de couches de la couche de transport de charge : structures planes régulières, planes inversées, mésoporeuses régulières et mésoporeuses inversées. Cependant, cette technologie présente plusieurs inconvénients. La lumière, l'humidité et l'oxygène peuvent induire leur dégradation, leur absorption peut être inégale et elles présentent également des problèmes de recombinaison de charges non radiatives. Les pérovskites peuvent être corrodées par les électrolytes liquides, ce qui entraîne des problèmes de stabilité. Pour concrétiser leurs applications pratiques, il est nécessaire d'améliorer leur rendement de conversion d'énergie et leur stabilité opérationnelle. Cependant, les récentes avancées technologiques ont permis de développer des cellules solaires à pérovskite dont le rendement est de 25,5 %, ce qui les place proche des cellules solaires photovoltaïques au silicium classiques. À cette fin, les terres rares ont été explorées pour des applications dans les cellules solaires à pérovskite. Leurs propriétés photophysiques permettent de surmonter ces problèmes. Leur utilisation dans les cellules solaires à pérovskite améliorera donc leurs propriétés, les rendant plus viables pour une mise en œuvre à grande échelle dans le domaine des énergies propres. Comment les éléments de terres rares aident les cellules solaires à pérovskite Les terres rares possèdent de nombreuses propriétés avantageuses qui peuvent être exploitées pour améliorer le fonctionnement de cette nouvelle génération de cellules solaires. Premièrement, les potentiels d'oxydation et de réduction des ions terres rares sont réversibles, ce qui réduit l'oxydation et la réduction du matériau cible. De plus, la formation de couches minces peut être régulée par l'ajout de ces éléments en les couplant à des pérovskites et à des oxydes métalliques de transport de charge. De plus, la structure de phase et les propriétés optoélectroniques peuvent être ajustées en les intégrant par substitution dans le réseau cristallin. La passivation des défauts peut être obtenue avec succès en les intégrant dans le matériau cible, soit de manière interstitielle aux joints de grains, soit à la surface du matériau. De plus, les photons infrarouges et ultraviolets peuvent être convertis en lumière visible sensible à la pérovskite en raison de la présence de nombreuses orbites de transition énergétique dans les ions de terres rares. Cette approche présente un double avantage : elle évite aux pérovskites d'être endommagées par une lumière intense et étend la plage de réponse spectrale du matériau. L'utilisation de terres rares améliore considérablement la stabilité et l'efficacité des cellules solaires à pérovskites. Modification des morphologies des films minces Comme mentionné précédemment, les terres rares peuvent modifier la morphologie des couches minces constituées d'oxydes métalliques. Il est bien établi que la morphologie de la couche de transport de charge sous-jacente influence la morphologie de la couche de pérovskite et son contact avec cette couche. Par exemple, le dopage aux ions de terres rares empêche l'agrégation des nanoparticules de SnO₂, source de défauts structurels, et atténue la formation de gros cristaux de NiO₂, créant ainsi une couche cristalline uniforme et compacte. Ainsi, des couches minces de ces substances, exemptes de défauts, peuvent être obtenues grâce au dopage aux terres rares. De plus, la couche d'échafaudage des cellules pérovskites à structure mésoporeuse joue un rôle important dans les contacts entre la pérovskite et les couches de transport de charge des cellules solaires. Les nanoparticules de ces structures peuvent présenter des défauts morphologiques et de nombreux joints de grains. Cela entraîne une recombinaison de charges non radiatives néfaste et grave. Le remplissage des pores est également un problème. Le dopage aux ions de terres rares régule la croissance de l'échafaudage et réduit les défauts, créant ainsi des nanostructures alignées et uniformes. En améliorant la structure morphologique des couches de pérovskite et de transport de charge, les ions de terres rares peuvent améliorer les performances globales et la stabilité des cellules solaires à pérovskite, les rendant ainsi plus adaptées aux applications commerciales à grande échelle. L'importance des cellules solaires à pérovskite ne saurait être sous-estimée. Elles offriront une capacité de production d'énergie supérieure à un coût bien inférieur à celui des cellules solaires à base de silicium actuellement disponibles sur le marché. L'étude a démontré que le dopage de la pérovskite avec des ions de terres rares améliore ses propriétés, ce qui se traduit par des gains d'efficacité et de stabilité. Ainsi, les cellules solaires à pérovskite aux performances améliorées sont sur le point de devenir réalité.
Date de publication : 04/07/2022 