Une percée révolutionnaire en matière de recherche dans le domaine de l'énergie solaire a propulsé le développement de la cellule solaire à points quantiques (QD) la plus efficace au monde, marquant un pas important vers la commercialisation de cellules solaires de nouvelle génération. Cette solution et ce dispositif QD de pointe ont démontré des performances exceptionnelles, conservant leur efficacité même après un stockage à long terme. Dirigée par le professeur Sung-Yeon Jang de l'École de génie énergétique et chimique de l'UNIST, une équipe de chercheurs a dévoilé une nouvelle technique d'échange de ligands. Cette approche innovante permet la synthèse de points quantiques de pérovskite (PQD) à base de cations organiques, garantissant une stabilité exceptionnelle tout en supprimant les défauts internes de la couche photoactive des cellules solaires.
« Notre technologie développée a atteint un rendement impressionnant de 18,1 % pour les cellules solaires QD », a déclaré le professeur Jang. « Cette réalisation remarquable représente la plus haute efficacité parmi les cellules solaires à points quantiques reconnue par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis. »
L'intérêt croissant pour des domaines connexes est évident puisque l'année dernière, trois scientifiques qui ont découvert et développé des QD, en tant que produits nanotechnologiques avancés, ont reçu le prix Nobel de chimie. Les QD sont des nanocristaux semi-conducteurs dont les dimensions typiques vont de plusieurs à plusieurs dizaines de nanomètres, capables de contrôler les propriétés photoélectriques en fonction de la taille de leurs particules. Les PQD, en particulier, ont retenu l'attention des chercheurs en raison de leurs propriétés photoélectriques exceptionnelles. De plus, leur processus de fabrication implique une simple pulvérisation ou application sur un solvant, éliminant ainsi le processus de croissance sur les substrats. Cette approche rationalisée permet une production de haute qualité dans divers environnements de fabrication.
Cependant, l’utilisation pratique des QD comme cellules solaires nécessite une technologie qui réduit la distance entre les QD par échange de ligands, un processus qui lie une grosse molécule, telle qu’un récepteur de ligand, à la surface d’un QD. Les PQD organiques sont confrontés à des défis notables, notamment des défauts dans leurs cristaux et leurs surfaces au cours du processus de substitution. En conséquence, les PQD inorganiques avec une efficacité limitée allant jusqu'à 16 % ont été principalement utilisés comme matériaux pour les cellules solaires.
Dans cette étude, l’équipe de recherche a utilisé une stratégie d’échange de ligands à base d’iodure d’alkylammonium, substituant efficacement les ligands aux PQD organiques avec une excellente utilisation solaire. Cette percée permet la création d'une couche photoactive de QD pour les cellules solaires avec une efficacité de substitution élevée et des défauts contrôlés.
Par conséquent, l'efficacité des PQD organiques, auparavant limitée à 13 % grâce à la technologie de substitution de ligands existante, a été considérablement améliorée pour atteindre 18,1 %. De plus, ces cellules solaires font preuve d’une stabilité exceptionnelle, conservant leurs performances même après un stockage à long terme pendant plus de deux ans. Les cellules solaires organiques PQD nouvellement développées présentent simultanément un rendement élevé et une stabilité élevée.
« Les recherches précédentes sur les cellules solaires QD utilisaient principalement des PQD inorganiques », a fait remarquer Sang-Hak Lee, le premier auteur de l'étude. « Grâce à cette étude, nous avons démontré le potentiel en relevant les défis associés aux PQD organiques, qui se sont révélés difficiles à utiliser. »
« Cette étude présente une nouvelle direction pour la méthode d'échange de ligands dans les PQD organiques, servant de catalyseur pour révolutionner le domaine de la recherche sur les matériaux des cellules solaires QD à l'avenir », a commenté le professeur Jang.
Les résultats de cette étude, co-écrit par le Dr Javid Aqoma Khoiruddin et Sang-Hak Lee, ont été publiés en ligne dans Énergie naturelle le 27 janvier 2024. La recherche a été rendue possible grâce au soutien du « Laboratoire de recherche fondamentale (BRL) » et du « Programme de recherche à mi-carrière », ainsi que du « Programme de développement de la technologie des nanomatériaux », financé par le National Fondation coréenne pour la recherche (NRF) relevant du ministère des Sciences et des TIC (MSIT). Il a également reçu le soutien du « Global Basic Research Lab Project ».
