Café solaire: augmenter l'efficacité des cellules solaires grâce à la caféine

La matinée commence dur, surtout si vous vous réveillez à cinq heures et demie. Devant la fenêtre, il pleut, cachant sous les parapluies les visages de quelques alouettes courant au travail, et des hiboux rentrant chez eux par pas mesurés. Le réveil, étant une écume par nature, continue avec sa précision inhérente à sonner pour la troisième fois. Et pour une raison quelconque, il semble qu'il le fasse avec irritation et reproche. En observant la règle du troisième signal de veille de nuit du Game of Thrones, vous devez vous lever du lit au troisième appel et, comme les marcheurs blancs, vous diriger vers la cuisine. Bouilloire, tasse, sucre, café. Ça y est, la matinée a officiellement commencé.

Ce court essai exprime clairement la routine matinale de beaucoup d'entre nous. Et son principal attribut est le café, sans lequel le matin, il est parfois difficile de se souvenir de la présence du cerveau dans le crâne. L'effet vivifiant du café est le résultat de l'effet psychostimulant de la caféine. De quoi je parle, un groupe de scientifiques, pour le plaisir, a décidé d'utiliser la caféine pour améliorer les photocellules. Et comme nous le savons, dans chaque blague, il y a une part de vérité, car cette drôle d'idée a donné des résultats étonnants dans la pratique. Comment la caféine a-t-elle été mise en œuvre dans les photocellules, quels indicateurs pourraient être améliorés et dans quelle mesure une telle amélioration est-elle justifiée? Nous trouverons des réponses à ces questions et à d'autres (non, pas dans le marc de café) dans un rapport de scientifiques. Allons-y.

Base d'étude

Comme je l'ai mentionné plus tôt, cette étude est vraiment née d'une plaisanterie autour d'une tasse de café du matin dans la cafétéria du laboratoire. Cependant, les scientifiques ne seraient pas des scientifiques s'ils n'avaient pas essayé de mettre en œuvre quelque chose comme ça, bien que ridicule à première vue.

En plus de la caféine, la principale expérimentale n'était pas une simple cellule photoélectrique, mais de la pérovskite.

La photocellule * est un appareil électronique permettant de convertir l'énergie photonique (lumière du soleil) en énergie électrique.

La pérovskite * est un minéral rare de titanate de calcium (CaTiO ₃ ).

Une photocellule de pérovskite est basée sur des matériaux provenant d'un hybride organique-inorganique d'halogénure de pérovskite (ci-après PVSK ). Le PVSK est une véritable percée dans le solaire, confirmée par les statistiques d'utilisation: 3,8% en 2009 et 23,3% fin 2018. Cependant, réjouissez-vous du succès de ce matériau jusqu'à présent uniquement dans des conditions de laboratoire, car les problèmes de stabilité à long terme ne permettent pas son utilisation dans la production commerciale de cellules solaires. Par exemple, les PVSK à base de césium (Cs) et de formamidinium (FA), populaires dans la recherche, ne peuvent pas fonctionner normalement à température ambiante en termes de propriétés thermodynamiques. Mais il peut PVSK à base de méthylammonium (PV).

Mais ce n'est pas si simple non plus: le cation organique MA PVSK est volatil, ce qui entraîne la décomposition rapide du PVSK et la précipitation de l'iodure de plomb trigonal (PbI ₂ ) à des températures élevées.

Il y a aussi un problème avec les ions à l'intérieur du PVSK. Les chercheurs en donnent un exemple frappant: l'ion I peut facilement traverser les grains polycristallins de PVSK et dépasser la couche de PVSK, puis agir sur une électrode métallique sous l'influence de l'énergie thermique. Cela provoque des défauts sous la forme de sections de recombinaison non radiative. De plus, les grains de PVSK orientés de manière aléatoire peuvent conduire à un faible transfert de charge dans la direction verticale, ce qui est une conséquence du processus de croissance rapide et incontrôlé du film PVSK.

Selon les scientifiques, l'écrasante majorité des travaux sur l'amélioration des performances des cellules solaires PVSK visait les appareils eux-mêmes, leur architecture et leurs améliorations structurelles, et non PVSK.

Dans la même étude, les scientifiques ont appliqué de la 1,3,7-triméthyl-xanthine, un nom scientifique fantaisiste pour la caféine (structure de Lewis et modèle tridimensionnel 1A ci -dessous) au PVSK basé sur le méthylammonium (MA). Utilisant des groupes carboxyle dans diverses conditions chimiques, la caféine est devenue une sorte de «porte moléculaire» qui interagissait avec les ^ions Pb ²⁺ , ralentissant la croissance des cristaux de PVSK. De plus, il a été possible d'atteindre l'orientation souhaitée en augmentant l'énergie d'activation.

En conséquence, il a été possible d'obtenir une excellente cristallinité des films PVSK contenant de la caféine et une densité de défauts plus faible, ainsi qu'un meilleur transfert de charge vertical. Et le coefficient de performance (COP) obtenu était auparavant inimaginable pour cette technologie de 20,25%. Quant à la stabilité thermique de l'appareil, les scientifiques ont réussi à atteindre une stabilité à une température de 85 ° C pendant plus de 1300 heures.

Ce sont vraiment d'excellents résultats, surtout si l'on considère les racines comiques de cette étude. Examinons maintenant de plus près comment et comment cela a fonctionné.

Résultats de recherche

Image n ° 1

La figure 1B montre les résultats de la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier de la caféine (ligne bleue), du MAPbI ₃ pur (ligne noire) et du MAPbI ₃ avec de la caféine (ligne rouge). Les vibrations d'étirement liées aux deux liaisons C = O dans la caféine pure apparaissent à 1,652 cm ^-1 et 1,699 cm ^-1 . Lorsque de la caféine a été ajoutée au film MAPbI ₃ , un décalage d'étirement de C = O a été observé avec une fréquence inférieure de 1,652 à 1,657 cm ^-1 , tandis que le mode vibratoire C = O de 1,699 cm ^-1 conserve sa valeur d'origine. Ceci indique que la caféine est présente dans le film MAPbI ₃ après le recuit et, éventuellement, a formé un adduit avec MAPbI ₃ par l'interaction entre Pb ²⁺ dans PVSK et l'une des liaisons C = O dans la caféine.

Pour confirmer davantage l'effet de la caféine sur le PVSK, les scientifiques ont effectué une spectroscopie de l'adduit PbI ₂ -MAI-DMSO-caféine, qui a également montré un décalage de déplacement de C = O de 1652 à 1643 cm ^-1 ( 1C ).

Ces observations confirment que l'interaction entre C = O dans la caféine et les ^ions Pb ²⁺ forme une porte moléculaire qui augmente l'énergie d'activation. Et cela, à son tour, ralentit le processus de croissance des cristaux PVSK, améliorant la cristallinité globale des films PVSK. De plus, cette porte moléculaire interagira éventuellement avec du PVSK amorphe lors du chauffage, ce qui peut empêcher la décomposition thermique.


Image n ° 2

L'image 2A est une image SEM transversale d'un film de caféine PVSK. Des changements dans l'atténuation de la photoluminescence stationnaire ( 2B ) et de la photoluminescence à résolution temporelle ( 2C ) ont été effectués pour étudier la qualité du film et la dynamique de la recombinaison des charges. L'intensité de photoluminescence du film PVSK caféiné (lignes noires) était 6 fois plus élevée que celle des films sans caféine (lignes rouges). Un décalage bleu de 770 à 763 nm a également été constaté, ce qui confirme une nouvelle fois la diminution du nombre de défauts lors de l'incorporation de caféine dans la structure du film PVSK.

Ensuite, une analyse de diffraction des rayons X a été réalisée pour étudier la structure cristalline du film PVSK déposé sur un substrat d'indium et d'oxyde d'étain ( 2D ). Et pour les films avec et sans caféine, aucun pic de diffraction n'a été trouvé à 12,5, ce qui correspond aux plans (001) du PbI ₂ hexagonal. Les deux films ont montré la même phase PVSK tétragonale avec une réflexion dominante (110) du réseau à 13,9, ce qui est une excellente orientation pour les films PVSK étudiés. Le rapport de l'intensité maximale (110) à 13,9 à l'intensité maximale (222) à 31,8 est passé de 2,00 à 2,43 lorsque la caféine a été ajoutée. Cela indique une croissance plus rapide de (110) grains qui absorbent les grains orientés de façon aléatoire.

La taille des grains a également été mesurée en utilisant la formule de Scherrer et la demi-largeur du pic (110). Avec l'introduction de la caféine, la taille des grains est passée de 37,97 à 55,99 nm.

La figure 2E nous montre un graphique de l'angle azimutal normalisé le long du plan (110) des films MAPbI ₃ sans caféine (ligne rouge) et avec de la caféine (ligne noire). Sous un angle de 90 °, un film caféiné présente un pic assez prononcé par rapport à un captif décaféiné. Une demi-largeur plus étroite suggère que la caféine a contribué à la croissance des grains de PVSK le long du plan, ce qui améliore le transfert de charge.

Les scientifiques ont ensuite effectué une analyse du photocourant transitoire ( TPC ) et de la tension photovoltaïque transitoire ( TPV ).

Les photocellules expérimentales ont été réalisées en tenant compte de la structure planaire du pincement, et l'oxyde d'indium-étain (ITO) a agi comme une anode. À leur tour, des nanoparticules d'oxyde d'étain ont été utilisées comme couche de transport d'électrons. Le MAPbI ₃ pur et le MAPbI ₃ contenant de la caféine ont agi comme une couche active. Le rôle de la couche de transport des trous (quasiparticules avec charge positive) a été joué par la poly [bis (4-phényl) (2,4,6-triméthylphényl) amine] ([C ₆ H ₄ N (C ₆ H ₂ (CH ₃ ) ₃ ) C ₆ H ₄ ] _n ) dopé avec du tétrakis (pentafluorophényl) borate de 4-isopropyl-40-méthyldiphényl-iodonium (C ₄₀ H ₁₈ BF ₂₀ I). De l'argent (Ag) a été utilisé pour la cathode.


Image n ° 3

L'image 3A montre les courbes JV (densité de courant, mA / cm ² ) de dispositifs à base de MAPbI ₃ pur et de MAPbI ₃ / caféine obtenus en utilisant le soleil artificiel AM1.5G avec une intensité de 100 mW / cm ² . Le pourcentage de caféine incorporée dans le système variait de 0 à 2% de la masse totale.

Une augmentation de la quantité de caféine introduite à 1% a entraîné une augmentation de certaines caractéristiques, à savoir: la tension en circuit ouvert (V _oc ), le courant de court-circuit (J _sc ), le rapport cyclique (FF) et la reproductibilité.

L'efficacité maximale (PCE dans le tableau ci-dessous) de MAPbI ₃ pur (sans caféine) était de 17,59% (V _oc : 1,074 V, J _sc : 22,29 mA / cm ² , FF: 73,46%). Mais quand il y a 1% de caféine dans le système, l'indice d'efficacité a augmenté à 20,25% (V _oc : 1,143 V, J _sc : 22,97 mA / cm ² , FF: 77,13%).

Les scientifiques attribuent l'augmentation de V _oc et FF à une diminution de la recombinaison non radiative et des défauts cristallins, qui est le résultat de la passivation due à l'incorporation de caféine dans le système. Le paramètre J _{Sc est} également passé de 22,29 à 22,97 mA / cm ² (graphique 3B ).

Pour une étude plus détaillée de l'effet de la caféine sur les performances du système, les scientifiques ont mené une analyse comparative de la cinétique du transfert de charge et de la recombinaison de charge des cellules solaires avec et sans caféine. L'analyse a montré ( 3C ) que la durée de vie de la recombinaison de charge (t _r ) d'un appareil avec de la caféine (285 ms) était significativement plus longue que sans caféine (157 ms). Il en résulte que la concentration des défauts est beaucoup plus faible. Dans ce cas, le temps de transfert de charge (t _t ) lorsque la caféine a été ajoutée à l'appareil a diminué de 2,67 à 2,08 ms.


Tableau d'indicateurs en fonction de la concentration de caféine.

Afin de confirmer l'effet de l'obturation moléculaire de la caféine dans les cellules solaires au cours du processus de décomposition thermique, les scientifiques ont effectué un test de résistance à des charges thermiques constantes: 85 ° C en milieu azoté.

Le dispositif contenant de la caféine a montré une excellente stabilité thermique, conservant 86% de l'efficacité d'origine après 1300 heures. Mais le dispositif décaféiné dans les mêmes conditions ne conservait que 60% de l'efficacité primaire. Les scientifiques attribuent cela à la migration des ions, à une mauvaise cristallisation et à l'instabilité de phase du MAPbI ₃ pur à des températures élevées.


Image n ° 4

Les scientifiques devaient comprendre plus en détail l'effet de la caféine sur le fonctionnement des cellules solaires en termes de migration ionique et de décomposition de phase. Pour cela, une analyse de diffraction des rayons X ( 4B ) des dispositifs a été réalisée après des tests de stabilité thermique.

Le dispositif sans caféine a montré un pic assez important à 12,5, associé au plan (001) du PbI ₂ hexagonal. Une diffraction très faible à 13,9 implique une dégradation complète du cristal PVSK. Mais une diffraction relativement forte de 38,5 a été observée par rapport au plan (003) de PbI ₂ .

Comme mentionné précédemment, la très bonne cristallinité du PVSK due à l'ajout de caféine devrait empêcher la migration des ions lors du chauffage. Une analyse thermogravimétrique de la caféine et de l'adduit a été réalisée pour établir la stabilité de phase et les propriétés thermiques de la caféine et de la phase intermédiaire de l'adduit. Les graphiques 4C et 4D montrent la perte de masse et le flux de chaleur de la caféine, du PVSK pur et de la caféine PVSK +.

L'analyse a montré que la caféine se décompose complètement à une température d'environ 285 ° C, alors qu'elle montrait une excellente stabilité thermique à des températures inférieures à 200 ° C. Sur le graphique 4C, nous pouvons voir trois étapes de perte de masse de PVSK pur: 70 ° C, 340 ° C et 460 ° C. Cela est dû à la sublimation du DMSO, du MAI et du PbI ₂ , respectivement. La température de sublimation du MAI et du PbI ₂ pour PVSK + caféine était significativement plus élevée, indiquant le besoin de plus d'énergie pour rompre le lien entre la caféine et le PVSK. Cette affirmation est appuyée par une analyse des flux de chaleur ( 4D ). Ainsi, la liaison entre la caféine et le PVSK forme une porte moléculaire, ce qui augmente le taux d'énergie d'activation de la désintégration nécessaire pendant le chauffage.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Cette étude a montré que l'introduction de la caféine dans les matériaux PVSK permet d'obtenir des cellules photoélectriques à haut rendement, de réduire la migration ionique, de réduire le nombre de défauts et d'améliorer la stabilité thermique. L'utilisation de matériaux PVSK a commencé il n'y a pas si longtemps, mais elle est déjà considérée comme la branche la plus prometteuse de l'énergie solaire. Et cela signifie qu'il est nécessaire d'améliorer tous les aspects de cette technologie si nous voulons obtenir des appareils qui auront de hautes performances à faible coût. Ces travaux ne concernent que des recherches visant précisément à cela.

Utiliser la caféine dans le développement des cellules solaires sonne comme une blague, c'était une blague autour d'une tasse de café le matin au laboratoire. Mais les blagues sont mauvaises avec les scientifiques, et toute idée, même la plus étrange, peut donner un excellent résultat si vous appliquez des connaissances, de l'ingéniosité et un peu de créativité.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars.

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