Technologie clé pour capter directement l'énergie solaire et remplacer les combustibles fossiles, les cellules solaires sont devenues un espoir pour la transition énergétique future. Cependant, malgré leurs perspectives prometteuses, il reste d'importantes marges de progression en matière d'efficacité et de stabilité. Les matériaux photovoltaïques actuels souffrent souvent d'une faible stabilité à long terme et d'une dégradation rapide lors d'une utilisation prolongée. Pour relever ce défi, les chercheurs explorent activement des matériaux avancés. Dans ce domaine, l'essor des réseaux métallo-organiques (MOF) a ouvert de nouvelles perspectives pour améliorer les performances et la stabilité des cellules solaires.

Les MOF et leurs dérivés, dotés de propriétés électrocatalytiques et photocatalytiques uniques, sont largement utilisés dans le stockage et la conversion de l'énergie. Ils sont composés de nœuds métalliques reliés par Liant organiqueCes matériaux présentent un potentiel considérable grâce à leur synthèse aisée, leur grande flexibilité et leur compatibilité avec des modifications ultérieures. Si la plupart des MOF sont traditionnellement considérés comme diélectriques, les progrès des techniques de synthèse ont permis le développement novateur de MOF conducteurs. À titre d'exemple, la société Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. a réussi à produire en masse des MOF conducteurs, élargissant ainsi considérablement leurs applications dans les technologies de conversion d'énergie.

Parmi les différents types de cellules solaires, les cellules solaires à colorant (DSSC) et les cellules solaires hybrides organiques-inorganiques à pérovskite (PVSC) ont suscité un intérêt particulier. Caractérisées par leur faible coût, leur facilité de fabrication et leur rendement de conversion relativement élevé, elles constituent des alternatives idéales aux dispositifs solaires inorganiques conventionnels, offrant des solutions énergétiques plus respectueuses de l'environnement et durables.

Une cellule solaire à colorant (DSSC) se compose généralement d'une photoanode, d'une contre-électrode (CE) et d'un électrolyte redox. En choisissant différentes espèces métalliques, en contrôlant la taille des agrégats métalliques et en ajustant les ligands organiques, les propriétés électroniques et les caractéristiques d'absorption de la lumière des MOF peuvent être adaptées avec précision, ce qui leur permet de jouer un rôle crucial parmi les trois composants principaux des DSSC.

La photoanode est généralement composée d'un oxyde métallique semi-conducteur poreux (par exemple, TiO₂) déposé sur un substrat conducteur transparent. La couche mince d'oxyde métallique assure la conversion photoélectrique par absorption de photons grâce à des colorants photosensibilisateurs. Les MOF et leurs dérivés remplissent de multiples fonctions dans la photoanode : ils peuvent servir de photosensibilisateurs, d'adsorbants de colorants semi-conducteurs ou de couches diffusantes. Par exemple, l'association du MOF MIL-125 (Ti) et de MoS₂ a démontré une efficacité de conversion photovoltaïque exceptionnelle de 8,96 %, surpassant nettement celle du TiO₂ pur (4,41 %).

La contre-électrode est constituée d'une couche catalytique déposée sur un substrat conducteur, catalysant la régénération des couples redox dans l'électrolyte. Le platine (Pt) est actuellement le matériau le plus couramment utilisé pour les contre-électrodes, mais son coût élevé limite les applications à grande échelle. Pour pallier ce problème, les chercheurs ont développé des composites MOF comme alternatives aux contre-électrodes à base de platine. Par exemple, la carbonisation de MOF Zif-8 Sous atmosphère d'azote, il est possible d'obtenir des matériaux ZnO-carbone dopé à l'azote (ZnO-NC). Ces matériaux présentent une excellente activité catalytique, permettant d'atteindre un rendement de cellule solaire de 9,16 %, soit environ 20 % supérieur à celui des contre-électrodes traditionnelles en platine. De manière significative, Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. a déjà réussi à produire en masse ces matériaux MOF à un coût maîtrisé. Leur application dans la fabrication de contre-électrodes permet d'améliorer considérablement les performances sans augmentation significative des coûts.

Les électrolytes contiennent généralement des couples redox I⁻/I₃⁻ qui réduisent les molécules de colorant à leur état fondamental après absorption de photons, régénérant ainsi le matériau photoactif. Dans les cellules solaires à colorant (DSSC), les MOF sont largement utilisés comme additifs dans les électrolytes pour fabriquer des électrolytes quasi-solides, améliorant ainsi la stabilité à long terme.

Les matériaux pérovskites ont permis des avancées significatives en matière d'efficacité de conversion photovoltaïque des cellules solaires à pérovskite (PVSC), dépassant les 23 %. Cependant, leur commercialisation reste freinée par leur faible stabilité à long terme. Les matériaux pérovskites sont sensibles à la dégradation lorsqu'ils sont exposés à l'humidité, à l'oxygène, à la chaleur et à la lumière, un obstacle majeur à leur application à grande échelle.

Les configurations structurelles courantes des cellules solaires à pérovskite sont illustrées ci-dessous :

Les MOF trouvent trois applications clés dans les PVSC :

Dans la couche de transport de charges, les MOF remplissent de multiples fonctions. Par exemple, ils peuvent servir de supports microporeux pour réguler la croissance de la couche de pérovskite et améliorer le contact interfacial. Parmi leurs autres fonctions, on peut citer la filtration des ultraviolets, la diffusion de la lumière et les effets photochromiques. Intégrés à la couche de transport de charges, les MOF favorisent efficacement l'alignement de l'interface et améliorent la qualité de la couche. Globalement, l'utilisation des MOF dans les cellules solaires à pérovskite (PVSC) améliore l'efficacité d'extraction des charges, réduit la recombinaison des charges et, par conséquent, renforce la stabilité du dispositif.

Une étude récente a exploré l'application de nanoparticules de MOF (Metal-Organic Framework) à base de titane (nTi-MOF) dans des cellules solaires pérovskites flexibles. Le dépôt d'une couche de PCBM sur la couche de nTi-MOF a créé un effet synergique qui a permis d'améliorer les performances de la couche de transport d'électrons (ETL). Les résultats ont montré un rendement remarquable de 18,94 %, le plus élevé jamais obtenu pour des cellules solaires pérovskites intégrant un MOF. De plus, le dispositif a conservé un rendement de conversion de puissance de 17,43 % après 700 cycles de flexion, démontrant une photostabilité supérieure à celle des dispositifs conventionnels à base de TiO₂.

Les MOF et les composites à base de MOF constituent une classe de matériaux prometteuse. Ils améliorent considérablement l'efficacité et la stabilité des dispositifs de conversion d'énergie, tels que les cellules solaires organiques-inorganiques, tout en offrant des technologies de fabrication simples et des propriétés physico-chimiques modulables. La conception précise de leurs structures permet d'adapter leurs performances à des applications spécifiques, contribuant ainsi au développement de la technologie des cellules solaires.