CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Cellules solaires perovskite plus stables et à teneur réduite en plomb. – MORELESS

Résumé de soumission

Depuis quelques années, les cellules solaires de type perovskite (PSCs) apparaissent comme une technologie prometteuse. Ces matériaux, comme le composé référence (CH3NH3)PbI3 (MAPI), possèdent des propriétés remarquables: les PSCs peuvent être preparées sous forme de couches minces par des techniques en solution à des temperatures n’excédant pas 150°C, et leur efficacité de conversion photovoltaïque (PCE) est au-delà de 22%. Cependant, les PSCs possèdent deux défauts principaux: ils contiennent du plomb, élément toxique, et ils présentent une faible stabilité.
Dans ce contexte, l’objectif principal du projet MORELESS est la préparation de nouveaux matériaux de type perovskite pour application PSC, plus stables (“MORE stable”) que le MAPI et ayant une quantité de plomb moins importante (“LESS lead”). Deux stratégies sont proposées: 1) La première concerne la recherche de matériaux deficient en plomb (d-HPs). Ce nouveau type de perovskites hybrides (A,A’)1+xPb1-xI3-x (A, A’: monocations organiques), découvert récemment par le PI, contient moins de plomb et est plus stable que le MAPI tout en conservant une structure 3D. De plus, la présence de deux cations organiques offre des possibilités de compositions diverses. Nous proposons donc de préparer de nouvelles compositions via des substitutions sur les sites A, A’, Pb et I. De nouvelles familles de matériaux de type d-HPs seront également visées dans MORELESS. La seconde stratégie concerne la recherche de matériaux sans plomb (« lead-free ») de type iodobismuthate ou iodoantimonates. Ces matériaux filmogènes sont connus pour être bien plus stables à l’humidité que le MAPI. Alors que beaucoup de composés non-perovskites ont été testés en PSCs, nous proposons de cibler des composés à réseau pérovskite (octaèdres trans-connectés) 1D et 2D. D’autres objectifs seront la stabilisation de la pérovskite 3D NMI3 (M= Bi3+/Sb3+), où N est une molécule neutre, et ce, en accord avec des prédictions récentes, ainsi que la recherche de composés incorporant des ions Ag+ pour stabiliser des réseaux M3+/Ag+ avec M3+/Ag+>1. Lorsque des matériaux intéressants auront été obtenus et caractérisés (RX, RMN,…), des films minces seront préparés en optimisant différents paramètres afin d’obtenir des films cristallisés de haute qualité. Ces films seront caractérisés par XRD, SEM, EDX, AFM et XPS. Ensuite, les PSCs seront preparées et les performances déterminées (mesure des courbes J-V, spectroscopie d’impédance,…). Pour les composés les plus intéressants, des études de vieillissement des couches seront effectuées. Les calculs et modélisations des propriétés électroniques et optiques seront effectués pour soutenir l'interprétation des résultats expérimentaux, y compris les données de RMN. D’autre part, les méthodes DFT fourniront des informations complémentaires sur les substitutions atomiques potentielles pour guider le choix des cibles synthétiques suivantes.
MORELESS est un projet collaboratif entre partenaires disposant de compétences indéniables dans le domaine des HPs, et ayant des expertises complémentaires, ce qui est essentiel pour le succès de ce projet. Ce projet multidisciplinaire inclut de la chimie des matériaux (tâche 1), de l’ingénierie des cellules PSCs (tâche 2) et un volet théorique (tâche 3). A Moltech-Anjou (partenaire 1), la conception, la synthèse des matériaux et leur caractérisation par diffraction X seront assurées par N. Mercier, le coordinateur du projet. A l’institut IMMM (Le Mans, partenaire 2), la caractérisation des matériaux par RMN du solide sera effectuée par J. Dittmer. Dans le groupe MPOE-IRCP de T. Pauporté (Chimie ParisTech, partenaire 3), les préparations de couches, leurs caractérisations électriques et optiques et les mesures des cellules solaires seront déterminées. A l’ISCR (partenaire 4), C. Katan coordonnera le travail théorique.

Coordinateur du projet

Monsieur Nicolas Mercier (MOLTECH-Anjou)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISCR INSTITUT DES SCIENCES CHIMIQUES DE RENNES
MOLTECH ANJOU MOLTECH-Anjou
IRCP Institut de Recherche de Chimie Paris
IMMM INSTITUT DES MOLÉCULES ET MATÉRIAUX DU MANS

Aide de l'ANR 505 440 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 42 Mois

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