Du fer pour des cellules solaires plus écocompatibles
Les matériaux photoactifs utilisés dans les OLEDs, l’imagerie médicale ou certains dispositifs photovoltaïques utilisent fréquemment des complexes à base de métaux nobles (Ru(II), Ir(III), ou Re(I)), rares et chers, qui freinent leur production à grande échelle. D’où l’idée des scientifiques du Laboratoire Lorrain de chimie moléculaire (CNRS, Université de Lorraine)(*) de remplacer ces métaux par du fer, métal abondant mais dont les complexes sont à priori peu photoactifs . Leurs travaux publiés dans le Journal of Materials Chemistry A décrivent un nouveau système dont l’efficacité photovoltaïque atteint 1.5%, un record encore jamais obtenu en utilisant ce métal peu coûteux.
Les composés photoactifs, capables par exemple d’absorber des photons, font l'objet de nombreuses recherches pour leurs applications dans les OLED, les capteurs ou l’imagerie médicale. Les cellules solaires à base de colorants photoactifs, dont le fonctionnement s’inspire des plantes, utilisent ces photosensibilisateurs pour absorber la lumière et la convertir en électrons qui alimenteront le semi-conducteur. Ces photosensibilisateurs sont à base de métaux nobles (Ru(II), Ir(III), ou Re(I)) car ils permettent d’absorber des photons dans une large gamme de longueurs d'ondes s'étendant de la région du visible à l’infra-rouge. Mais la rareté de ces métaux et donc le coût associé, mais aussi leur toxicité, freinent considérablement la production à grande échelle de ces systèmes.
D’où l’idée de remplacer ces atomes par un métal moins coûteux comme le fer (4e élément le plus abondant sur terre). Problème : la structure électronique du fer, très différente de celle du ruthénium, confine les électrons sur le fer. Il devient alors difficile de les transférer au semi-conducteur pour produire un courant électrique, ce qui est totalement improductif du point de vue photovoltaïque.
Transfert que sont parvenus à réaliser les équipes du Laboratoire Lorrain de chimie moléculaire (CNRS, Université de Lorraine). Pour cela, ils ont synthétisé de nouveaux photosensibilisateurs en greffant sur des atomes de fer des molécules spécifiques appelées pyridylNHC. Ces molécules, choisies pour leur capacité à capter les électrons générés par le fer lors du phénomène de photoexcitation et à les transférer ensuite aisément au semi-conducteur, ont permis d’obtenir une efficacité photovoltaïque encore jamais obtenue à partir de ce métal.
Compte-tenu des enjeux économiques et environnementaux, plusieurs équipes dans le monde développent ce genre d’approche pour remplacer les métaux nobles par des métaux abondants dans ces systèmes photosensibilisateurs, mais les études s’arrêtent généralement à la description du système. Les chercheurs Lorrains sont les premiers à aller jusqu'au dispositif, à démontrer la preuve de concept et à obtenir une telle efficacité avec un sensibilisateur à base de fer.
(*) Ce travail est issu d’une collaboration entre le Laboratoire Lorrain de Chimie Moléculaire (CNRS, Université de Lorraine), le Laboratoire de Physique et Chimie Théorique (CNRS, Université de Lorraine) et l’Université de Ferrara (Italie).
Rédacteur : CCdM
Référence
Anil Reddy Marri, Edoardo Marchini, Valentin Diez Cabanes, Roberto Argazzi, Mariachiara Pastore, Stefano Caramori & Philippe C. Gros
Record power conversion efficiencies for iron(II)- NHC-sensitized DSSCs from rational molecular engineering and electrolyte optimization
Journal of Materials Chemistry A (2021)