« Pièges à cage » bioinspirés pour les

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4730 (2023) Citer cet article

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Malgré les progrès remarquables réalisés dans le domaine des cellules solaires à pérovskite, de grandes inquiétudes concernant le risque potentiel de contamination au plomb et les risques de vulnérabilité environnementale associés aux cellules solaires à pérovskite constituent un obstacle important à leur commercialisation dans le monde réel. Dans cette étude, nous nous sommes inspirés du comportement de proie des araignées et des composants chimiques de la toile d'araignée pour implanter stratégiquement un filet de carbone mésoporeux multifonctionnel greffé à l'amino dans des cellules solaires à pérovskite, créant ainsi des pièges à cage biomimétiques qui pourraient efficacement atténuer les fuites de plomb et protéger. l’invasion extérieure dans des conditions météorologiques extrêmes. Le mécanisme synergique de capture du plomb en termes de chélation chimique et d’adsorption physique est exploré en profondeur. De plus, une évaluation de la contamination par le plomb des cellules solaires à pérovskite en fin de vie dans l'écosystème du monde réel, y compris l'eau et le sol du fleuve Jaune, est proposée. Le processus durable de gestion du plomb en boucle fermée est également établi avec succès, impliquant quatre étapes critiques : la précipitation du plomb, l'adsorption du plomb, la désorption du plomb et le recyclage du plomb. Nos résultats fournissent des informations inspirantes pour promouvoir une industrialisation verte et durable des cellules solaires à pérovskite.

Avec la crise énergétique mondiale croissante, les cellules solaires à pérovskite (PSC) sont devenues une technologie d’énergie renouvelable prometteuse pour réduire l’empreinte carbone dans le monde. Les PSC offrent une compatibilité supérieure et une fabrication évolutive, ce qui les positionne pour révolutionner le marché photovoltaïque. Cependant, d’importants défis restent à relever avant de pouvoir être appliqués dans la pratique. Les cations organiques volatils (tels que CH3NH3+ ou HNCH(NH3)+) et les propriétés de réseau souple des PSC sont des sources d'instabilité intrinsèque, entraînant une diminution de l'efficacité du dispositif et des problèmes de stabilité opérationnelle à long terme1,2,3. Notamment, la décomposition des films de pérovskite peut conduire à la formation de composés toxiques à base de plomb, notamment PbI2, Pb ou PbO, lorsqu'ils sont exposés à des stimuli externes tels que l'humidité, l'éclairage et la chaleur. Ces composés peuvent potentiellement s'infiltrer dans l'écosystème, soulevant des préoccupations en matière de durabilité environnementale4,5.

Les efforts récents se sont concentrés sur l’encapsulation des CSP afin de réduire les fuites de plomb. Des matériaux d'encapsulation tels que le polyuréthane, le polyisobutylène, le graphène et l'Al2O3 ont été appliqués à l'aide d'une méthode physique de pressage à chaud ou de dépôt de couche atomique6,7,8,9. Cependant, ces couches d'encapsulation ne peuvent pas empêcher la diffusion des composants du Pb si le dispositif se brise sous une contrainte externe en raison de la capacité limitée de capture du Pb. Le processus de préparation complexe augmente également les coûts de production. Des stratégies d'adsorption chimique utilisant des matériaux chimiques fonctionnels pour l'adsorption externe afin de minimiser les fuites de Pb ont été proposées. La plupart des travaux publiés se concentrent sur le développement d’un adsorbant semi-transparent au plomb pouvant être installé du côté récepteur de lumière des PSC. Une transparence optique élevée est requise pour éviter une diminution des performances photovoltaïques, limitant l’épaisseur de l’adsorbant semi-transparent de Pb et compromettant la capacité d’adsorption du Pb et la résistance ambiante. En pratique, le composant Pb qui fuit a tendance à s’écouler vers l’arrière du dispositif en raison de la gravité, et les matériaux ou stratégies correspondants restent limités. Li et coll. intégré un mélange de polymères à base de résine échangeuse de cations (CER) et de résine ultraviolette (UV) dans le PSC10. Le composant Pb a été adsorbé via la réaction d’échange de cations rapide entre de nombreux groupes acide sulfonique (SO3−) et Pb2+, atteignant une efficacité de séquestration du Pb de 90 %. Néanmoins, le risque potentiel de pollution secondaire due aux déchets solides dangereux d’URCE est apparu comme un problème environnemental. De plus, des inquiétudes concernant les stratégies d'élimination durable des modules photovoltaïques à pérovskite en fin de vie persistent, en raison de la menace potentielle des ions Pb toxiques pour l'écosystème et la sécurité de la santé humaine11,12,13,14. Ces inconvénients peuvent sérieusement entraver l’application commerciale des PSC.