Un roman de WS2

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7762 (2023) Citer cet article

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Un nouveau composite disulfure de tungstène-oxyde de cuivre molybdène supporté par des points quantiques de graphène (WM@GQD) a été synthétisé en tant que contre-électrode (CE) pour les cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC) à l'aide d'une méthode d'ultrasons simple et peu coûteuse. La structure unique des WM@GQD présente une excellente efficacité de conversion de puissance en raison de sa forte activité catalytique et de ses propriétés de transport de charge. De plus, les points quantiques de graphène (GQD) fournissent des sites plus actifs dans les matériaux de dimension zéro pour une réaction redox I/I3− qui peut améliorer les propriétés électriques et optiques du composite. Les résultats indiquent que la quantité de GQD dans le composite affecte l'efficacité des dispositifs solaires. Lorsque 0,9 % en poids de GQD ont été utilisés, le composite WM@GQDs a atteint une efficacité de 10,38 %, ce qui est supérieur à celui du coûteux platine CE dans les mêmes conditions. Le mécanisme à l’origine de l’amélioration du rendement de conversion de puissance (PCE) de l’échantillon composite est également discuté en détail. Par conséquent, les WM@GQD peuvent être un matériau efficace pour remplacer le platine dans les DSSC en tant que CE.

La pénurie imminente de combustibles fossiles due à la croissance démographique annuelle et à l’impact d’une croissance économique soutenue a fait prendre conscience à la population mondiale de l’importance des énergies renouvelables. Parmi les différentes sources d’énergie renouvelables, l’énergie solaire est une source d’énergie naturelle et durable pouvant être utilisée indéfiniment. De manière générale, la technologie des cellules solaires à base de silicium continuera de dominer le marché mondial, mais les chercheurs recherchent des solutions alternatives pour répondre aux besoins énergétiques du secteur industriel et réduire les coûts de production afin que la population mondiale puisse accéder à l'énergie solaire1. L’une de ces solutions concerne les cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC), qui sont des cellules de troisième génération en raison de leurs méthodes de fabrication peu coûteuses, simples et respectueuses de l’environnement2,3. Les DSSC se composent d'une photoanode (un semi-conducteur avec une surface spécifique élevée pour le colorant adsorbé), d'une contre-électrode (généralement sous la forme de FTO avec du platine) et d'un électrolyte dans l'espace interélectrode (constitué d'un solvant organique avec un médiateur redox )4. En général, le principe de fonctionnement des DSSC est que les molécules de colorant, après avoir absorbé un photon, sont excitées de l'état fondamental à l'état excité. Ensuite, un électron est injecté dans la bande de conduction (CB) du semi-conducteur et transporté à travers un circuit externe jusqu'à la contre-électrode. Le colorant oxydé est régénéré par un médiateur rédox et l'électron donné par l'électrode de travail réduit les espèces rédox. Le cycle est ensuite fermé et répété jusqu'à ce que l'éclairage se produise5.

Comme mentionné ci-dessus, la contre-électrode (CE) est essentielle au bon fonctionnement des DSSC. Le platine (Pt) est le CE le plus largement utilisé dans les DSSC en raison de ses excellentes performances électrocatalytiques et de sa conductivité élevée, ce qui conduit à un rendement élevé dans la transformation photoélectrique6. Cependant, le Pt est un métal précieux et sa stabilité est insuffisante, ce qui peut le faire réagir avec l'électrolyte dans le temps7. De plus, son coût élevé limite la production à grande échelle de DSSC destinés à une utilisation dans les secteurs domestique et industriel. Par conséquent, les chercheurs recherchent de toute urgence des matériaux alternatifs pour remplacer le platine. Différents types de matériaux, tels que les matériaux à base de carbone8, les polymères organiques9, les dichalcogénures de métaux de transition10, les matériaux à base d'oxydes11 et les matériaux à base de sulfures12, ont été étudiés et ont montré une excellente conversion de puissance en raison de leurs propriétés électrochimiques supérieures.

Les points quantiques de graphène (GQD) sont des matériaux de points quantiques prometteurs à base de carbone, principalement composés d'atomes hybridés sp2 de feuilles de graphène de taille nanométrique, leur conférant des propriétés zéro dimensionnelles13. Les GQD possèdent plusieurs propriétés souhaitables, notamment l'inertie chimique, la biocompatibilité, des propriétés de photoluminescence stables, une faible résistance et une bonne réversibilité redox. En 2013, Chen et al.14 ont synthétisé du polypyrrole (PPy) dopé aux GQD comme contre-électrode. Le film PPy dopé aux GQD a une structure hautement poreuse et présente une densité de courant catalytique plus élevée et une résistance au transfert de charge inférieure à celle du PPy seul vers la réaction redox I3−/I−. Le DSSC avec PPy dopé avec 10 % de GQD a montré l'efficacité de conversion de puissance la plus élevée (5,27 %), supérieure à celle d'un DSSC basé sur une contre-électrode de platine.