Les cellules photovoltaïques à base de pigments. l'avènement des perovskites

michael.graetzel@epfl.ch

Avancer les recherches et créer des technologies pour un monde meileur

Aéroport de Genève

mesoscopic – intermediate size scale in the range of 2-100 nm

The classical mesoscopic solar cell: Dye-sensitized Solar Cell (DSC) uses a nanostructured heterojunction for the conversion of solar energy into electricity

INTRODUCTION – MESOSCOPIC SOLAR CELL

Coutesy Julian Burschka

200 nm

The virtues of the nanostructure 1. The oxide scaffold

supports the sensitizer.

2. It acts an electron acceptor and conducts the photo-gemerated electrons to the current collector.

3. The high internal surface area enables efficient light harvesting by the adsorbed sensitizer.

4. the small size of the nanoparticles allows screening the electron charge by positive ions present at the oxide surface.

TiO2 anatase

La nature une veritable source d’inspiration

Science 2011, 334, 629 – 634.

Dr. Aswani Yella

Dr. Simon Mathew

SM315 - BTD-Porphyrin

Nature Chemistry February 3, 2014

pigment

Contre électrode verre

Ex de colorant

Très fort pouvoir sensibilisant avec des nano-cristaux de TiO2

1985 La première publication

1988

1985 Première

publication

Cellule photoélectrochimique mésoscopique

Premier prototype de cellule

1991

1985 1988 B.O’Regan and M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737 citée 12000 fois

Première publication Premier prototype de cellule

Publication dans Nature

2005

1985 1988 1991 Première publication Premier prototype de cellule Publication dans Nature

Production pilote des modules

1985 1988 1991 2005 Première publication Premier prototype de cellule Publication dans Nature Production pilote des

modules

Depuis 2009 Production de masse

1985 1988 1991 2005 2009 Demain… Première publication Premier prototype de cellule Publication dans Nature Production de masse des

modules

Production pilote des

modules

(…)

Aujourd’hui Le succès du transfert technologique

DSC patent families worldwide

Base patent expired in 2008

brevets à l’échelle mondiale

1985 1988 1991 2005 2009 Demain… Première publication Premier prototype de cellule Publication dans Nature Production de masse des

modules

Production pilote des

modules

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Aujourd’hui 9 septembre 2010

Christian Wulff, Président de l’Allemagne Doris Leuthard, Présidente de la Confédération Hélvétique

1985 1988 1991 2005 2009 Demain… Première publication Premier prototype de cellule Publication dans Nature Production de masse des

modules

Production pilote des

modules

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Aujourd’hui Bill Gates

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modules

Production pilote des

modules

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Aujourd’hui Visite d’Al Gore,28 oct. 2013

1985 1988 1991 2005 2009 Demain… Première publication Premier prototype de cellule Publication dans Nature Production de masse des

modules

Production pilote des

modules

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Aujourd’hui Déjà en vente:

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modules

Production pilote des

modules

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Aujourd’hui Centre de congrès

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modules

Production pilote des

modules

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Aujourd’hui Aéroport de Genève

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modules

Production pilote des

modules

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Aujourd’hui Yverdon Arrêt de bus à Yverdon

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modules

Production pilote des

modules

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Aujourd’hui En Inde:

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Production pilote des

modules

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Aujourd’hui Au Japon (Tsunami 2011)

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modules

Production pilote des

modules

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Demain ? De nouveaux horizons

Daimler Benz

Industries actives dans le domaine.

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modules

Production pilote des

modules

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Demain ? De nouveaux horizons

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modules

Production pilote des

modules

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Demain ? De nouveaux horizons

Rendements certifiés des cellules solaires

Des nouveaux pigments puissants: les perovskites

CH3NH3PbI3 single crystals grown at the MPI for Solid State Research (Stuttgart Germany) courtesy of Norman Pellet PhD student at LPI(EPFL) and MPI

CH3NH3PbI3: Ambipolar semiconductor, Bohr radius of the exciton: 2 nm light harvesters with high optical absorption cross section

Les perovskites montrent un très fort pouvoir sensibilisant ils remplacent le colorant

!

!

Hybrid organic–inorganic perovskite:

Perovskite replaces the molecular sensniizer in a dye sensitized solar cells (Kojima et al.

JACS 2009, 131, 6050–6051)

Poor conversion efficiency (3.6% ) and unstable in liquid electrolyte based

photovoltaics

stable and much more efficient in soliid hole conductor based cells

ABX3 A = small organic cation B = Ge2+, Sn2+, Pb2+ X = Cl-, Br-, I-

CH3NH3PbI3

Le perovskite CH3NH3PbI3, un puissant colorant

U. Bach, D. Lupo, P. Comte, J.-E. Moser, F. Weissörtel, J. Salbeck, H. Spreitzer and M. Grätzel "Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cells with high photon-to- electron conversion efficiencies” Nature 1998, 395, 583–585.

L’utilisation des pervoskites dans des cellules à colorant solide

Conducteur de trous: spiro-MeOTAD

spiro-MeOTAD

Prof. Nam-Gyu Park

3.81%, 2009

2011

10.9%, 10.2012

08.2012

5.5%, 08.2012

03.2013

05.2012

Une vague de publications sur les cellules photovolta!iques utilisant les peroskites

05.2013, 12%

Nature article published online on July 10, 2013 announces record 15 % conversion efficiency

EPFL/LPI Graduate students Norman Pellet (left) and Julian Burschka (right)

PEROVSKITE – SEQUENTIAL DEPOSITION

Use of a two-step technique to form the hybrid perovskite :

Better control of crystal morphology

Control of dipping time, concentration, solvent, temperature etc.

J. Burschka, N. Pellet, S.J. Moon, R. Humphry-Baker, P. Gao, Md.K. Nazeeruddin, M. Grätzel, "Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells” Nature, 499, 316-319 (2013)

Cross sectional SEM of a solar cell with perovskite as light harvester

P

i

nanocomposite

n

Perovskite produced by sequential deposition

latest efficiency record 17.3 % LPI/EPFL

Im Jeong-Hyeok

Impending shocks in solar cells?

Courtesy Prof. Kenneth Dawson UC Dublin

17.3 % 3-2014

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I [%

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U [

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%]

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Teste de stabilité plein soleil 45 °C Manuel Tschumi

Remise du prix Benoist, EPFL 19 Novembre 2013

Avec le Dr. Stefan Mueller, CEO de G2E, fabricant suisse de verres photovoltaïques électrogènes

Remise du prix Bemoist, EPFL 19 Novembre 2013

A-S. Chauvin Md.K. Nazeeruddin P. Infelta

K. Kalyanasun-daram

S.-M. Zakeeruddin C. Grätzel P. Pechy F.P. Rotzinger G. Rothenberger

L’équipe du LPI

P. Liska

R. Humphry-Baker

P. Gao A. Yella D. Tilley C. Yi

M. Mayer

J. Teuscher

F. Giordano

L’équipe du LPI Post docs.

T. Moehl P. Qin

M. Simon

Y. Lee T. Nok

N. Tétreault A. Oskouei

P. Labouchère A. Marchioro L.-P. Heiniger L. Steier

N. Pellet J. De Jonghe E. Ghadiri

A. Dualeh

H. Harms

L’équipe du LPI Doctorants.

M. Schreier N.V. Marinova R. Kasparas P. Gratia S. Aghazada

S. Swami J. Yang G. Paramaguru I. Mohammad J. Ramos Mellado

L’équipe du LPI

Visiteurs

Collaborateurs

administratifs C. Biagini H. Francelet

P. Comte M. Tschumi J.-D. Décoppet F. Kirstin

Collaborateurs

techniques

B. Laskova

L’équipe du LPI

Prof. Dr. Michael Grätzel Prof. Dr. Anders Hagfeldt

Prof. Dr. Jacques Edouard Moser

Swiss CTI , CCEM-CH

Swiss National Science Foundation, Swiss Energy Office

FP7 European Joule Projects: ESCORT, SANS, MOLESOL, ORION, POWERWEAVE, GLOBASOL, NANOMATCELL.

European Research Council: Adv. Research Grant MESOLIGHT

GRL Korea (with KRICT)

KAUST Center for Advanced Molecular Photovoltaics (CAMP)

at Stanford University

The Balzan Prize Foundation

Marie Curie Actions

Industrial Partners, Abengoa

Subsides