Du fer pour des cellules solaires plus écocompatibles

Publié par Redbran le 02/03/2021 à 13:00
Source: CNRS INC
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 (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...). D'où l'idée des scientifiques du Laboratoire Lorrain de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) moléculaire (CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Lorraine)(*) de remplacer ces métaux par du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...), métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) 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.


© Philippe Gros

Les composés photoactifs, capables par exemple d'absorber des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...), font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de nombreuses recherches pour leurs applications dans les OLED, les capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) ou l'imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir...). Les cellules solaires à base de colorants photoactifs, dont le fonctionnement s'inspire des plantes, utilisent ces photosensibilisateurs pour absorber la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) et la convertir en électrons qui alimenteront le semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...). 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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) 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 (La toxicité (du grec τοξικότητα...), freinent considérablement la production à grande échelle de ces systèmes.

D'où l'idée de remplacer ces atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) par un métal moins coûteux comme le fer (4e élément le plus abondant sur terre). Problème: la structure électronique du fer, très différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) de celle du ruthénium (Le ruthénium est un élément chimique, de symbole Ru et de numéro atomique 44,...), confine les électrons sur le fer. Il devient alors difficile de les transférer au semi-conducteur pour produire un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...), ce qui est totalement improductif du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) 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 (Le mot monde peut désigner :) 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.

Note:
(*) Ce travail est issu d'une collaboration entre le Laboratoire Lorrain de Chimie Moléculaire (CNRS, Université de Lorraine), le Laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et Chimie Théorique (CNRS, Université de Lorraine) et l'Université de Ferrara (Italie).


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)
https://doi.org/10.1039/D0TA10841C

Contacts:
- Philippe Gros - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au Laboratoire Lorrain de chimie moléculaire - philippe.gros at univ-lorraine.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) - Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de chimie du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) - inc.communication at cnrs.fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
- Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...) - Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC - inc.communication at cnrs.fr
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