27/08/2013 - Fabrication de cellules solaires basées sur le grafène

Menéame

La plupart des ressources L’énergie du monde est générée par les rayons du soleil qui frappent la Terre. Chaque année, 8 000 fois plus d’énergie solaire produit ce qui est consommé dans le monde entier. Bien que le rayonnement solaire représente la plus grande partie de l’énergie renouvelable disponible dans le monde, seule une petite partie d’entre elle est actuellement exploitée. Cela est dû au coût élevé de production et d’installation de la technologie commerciale, à base de silicium photovoltaïque (PV) qui est nécessaire pour convertir l’énergie solaire en électricité en majorité. 

Les chercheurs étudient des solutions de remplacement peu coûteuses, telles que les bios, les nanostructures, ou les cellules solaires hybrides basées sur le graphène, un matériau entièrement carbone. Cette approche ouvre des possibilités de développement de dispositifs photovoltaïques flexibles à haute efficacité de conversion d’énergie, pour une utilisation sur des surfaces courbes ou transparentes, par exemple les fenêtres.

Pour obtenir des rendements élevés de conversion d’énergie, les dispositifs photovoltaïques entièrement organiques doivent être composés d’un réseau interpénétrant de composants donateurs d’électrons et d’acceptateur d’électrons, connus sous le nom de cellules solaires à hétérounion en vrac (BHJs).Ceux-ci sont créés en utilisant soit des mélanges de polymères ou de polymères hybrides, des mélanges de polymère conjugués et de C 60 dérivés (fulléène). Cependant, ces deux conceptions ont des limites. Les dispositifs photovoltaïques entièrement organiques ne produisent que des rendements modestes de conversion d’énergie en raison du transport efficace de la charge à travers les voies ininterrompues dans les films BHJ. Et ceux basés sur C 60 dérivés ne coûtent pas encore assez compétitif.

Pour répondre à ces questions, deux dispositifs différents hybrides organiques / inorganiques BHJ ont été conçus avec une amélioration de l’efficacité de conversion d’énergie. 1-5 Le premier dispositif utilise l’arsenium de gallium (GaAs) nanocables mélangés avec un conjugué de polymère-poly (3-hexilthiophéne) (P3HT) - pour former un film composé de nanocables dispersés dans une matrice de polymère. 1 au-dessus d’un seuil de charge déterminé, les nanocables de faciliter l’aménagement moléculaire P3HT, ce qui améliore le transport de charge et les performances des dispositifs avec> 2,3% d’efficacité de conversion de puissance.

Le deuxième dispositif utilise le sulfure de plomb (PbS) points quantiques reliés par nanocâbles P3HT cristallines greffe solvant avec l’aide et l’échange de ligament. Cela se traduit par la séparation des phases organiques / inorganiques contrôlées et une efficacité de conversion de puissance maximale améliorée de 4,1%. 2 En formant des cellules solaires BHJ tout-inorganiques composées de nanocables d’oxyde de zinc (ZnO) et des points quantiques de PbS, l’efficacité de conversion de puissance dépasse 5%. 4

Avec le développement de cellules solaires BHJ hybrides, nous avons exploré l’utilisation du grafène comme un matériau plus efficace, moins coûteux la réalisation d’électrode pour remplacer l’oxyde d’indien et d’étain (ITO), le choix actuel d’électrodes transparentes. L’Indien est utilisé dans ITO est cher, tandis que le graphène est fait de carbone ubiquo, qui est moins cher.Il fournit également d’autres avantages, y compris flexibilité, faible poids, résistance mécanique, chimique et robustesse.

Cependant, la construction de nanostructures semi-conducteurs directement sur le grafène pré-ristine pour applications pratiques, sans porter atteinte à ses propriétés électriques et structurelles, a été un défi en raison de la stabilité et inerte du grafène. sp 2 structure hybride. Un certain nombre de revêtements de polymères ont été utilisés pour modifier leurs propriétés. 5 Cela nous a permis de relier une couche de nanocables de ZnO à elle, et puis un matériau de revêtement qui absorbe la lumière, que ce soit les points quantiques PBS ou P3HT. Malgré ces modifications, les propriétés innées du graphène sont restées intactes.

Notre travail le plus récent montre des cellules solaires hybrides d’un chromate basé sur le graphène (voir Figure). 1 ) en utilisant deux matériaux photoactifs différents, PBS quantiques et P3HT, avec AM1.5G (un test d’éclairage standard) efficacité de conversion de puissance de 4,2 et 0,5%, respectivement. Notre méthode pour la fabrication de nanostructures semi-conducteurs sur le graphène, à travers un processus d’ingénierie d’interface, conserve les propriétés structurelles et électriques du graphène.Cela en fait un remplacement viable pour l’ITO dans diverses configurations des dispositifs photovoltaïques, ce qui ouvre une large gamme d’opportunités pour le développement de dispositifs photovoltaïques flexibles. Par ailleurs, cette structure peut également être appliquée à une variété de dispositifs nanoélectroniques tels que LED.

En résumé, nous avons décrit la conception de cellules solaires hybrides organiques / inorganiques qui offrent une gamme de caractéristiques attrayantes, y compris des gains de conversion améliorés. Nous étudions actuellement d’autres systèmes photovoltaïques flexibles de graphène des électrodes basées et de la solution processable afin d’atteindre les performances du dispositif comparable ou supérieur à celles de ses homologues conventionnels.

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Références

1. S. Ren, N. Zhao, S. Crawford, M. Tambe, V. Bulovic, S. Gradečak, Heterojunction photovoltaics using GaAs nanowires and conjugated polymers, Nano Lett. 11, p. 408, 2011.

2. S. Ren, L.-Y. Chang, S. K. Lim, J. Zhao, M. Smith, N. Zhao, V. Bulovic, M. Bawendi, S. Gradečak, Inorganic-organic hybrid solar cell: bridging quantum dots to conjugated polymer nanowires, Nano Lett. 11, p. 3998, 2011.

3. S. Ren, M. Bernardi, R. R. Lunt, V. Bulovic, J. C. Grossman, S. Gradečak, Towards efficient carbon nanotube/P3HT solar cells: active layer morphology, electrical, and optical properties, Nano Lett. 11, p. 5316, 2011.

4. J. Jean, S. Chang, P. R. Brown, J. J. Cheng, P. H. Rekemeyer, M. G. Bawendi, S. Gradečak, V. Bulovic, Nanowire arrays for enhanced photocurrent in quantum dot solar cells, Adv. Mater. 25, p. 2790, 2013.

5. H. Park, S. Chang, J. Jean, J. J. Cheng, P. T. Araujo, M. Wang, M. Bawendi, M. S. Dresselhaus, V. Bulovic, J. Kong, S. Gradečak, Graphene cathode-based ZnO nanowire hybrid solar cells, Nano Lett. 13, p. 233, 2013.

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