Remodelage de nanobâtonnets hiérarchiques NiCo2O4@ZnS avec des nanotubes de carbone multi-parois en tant quélectrode de contre-électrode pour des applications en cellules solaires sensibilisées par colorant

Pourquoi des matériaux solaires moins chers comptent

Le platine, le métal brillant utilisé en joaillerie et dans les pots ds d voiture, est aussi un élément-clé de certaines cellules solaires—mais il est rare et cher. Cette étude explore une façon ingénieuse de remplacer le platine dans les cellules solaires sensibilisées par colorant, une catégorie dappareils solaires peu coûteux et semi-transparents, par un mélange dingrédients plus courants. En repensant larchitecture microscopique du contact arrière de la cellule, les chercheurs réussissent à égaler et même à dépasser légèrement un dispositif à base de platine, ce qui ouvre la voie à des technologies solaires moins chères et plus durables.

Comment ce type spécial de cellule solaire fonctionne

Les cellules solaires sensibilisées par colorant fonctionnent un peu comme des feuilles artificielles. Un colorant appliqué sur une couche poreuse claire capture la lumière du soleil et injecte des électrons dans un semi-conducteur sous-jacent. Ces électrons parcourent ensuite un circuit externe pour fournir un travail utile avant de revenir à la cellule par un contact arrière appelé électrode de contre-électrode. À lintérieur de la cellule, un liquide à base diode transporte les charges entre le colorant et la contre-électrode. La qualité de ce contact arrière influence fortement lefficacité de la cellule, car il doit achever rapidement létape finale du cycle électrique : permettre aux molécules diode déchanger des électrons en continu.

Construire un nouveau type de contact arrière

Au lieu dune couche plane de platine, léquipe a conçu un matériau sculpté en trois parties pour la contre-électrode. Larmature est constituée de nanobâtonnets doxyde nickel-cobalt, qui se dressent comme une forêt microscopique et offrent de nombreuses zones pour les réactions chimiques. Les surfaces de ces bâtonnets sont décorées de particules de sulfure de zinc qui créent des sites réactifs supplémentaires et modifient lenvironnement électronique local où se déroule la chimie rédox. Enfin, un réseau de nanotubes de carbone multi-parois sentrelace à travers et autour des bâtonnets, formant un maillage hautement conducteur qui relie lensemble de la structure au circuit externe. Le tout est assemblé par des étapes en solution à des températures relativement basses, compatibles avec une fabrication à léchelle industrielle.

Observer la structure à léchelle nanométrique

Pour vérifier la construction, les chercheurs ont utilisé une série de sondes matérielles plus familières aux laboratoires de physique quaux installateurs de toits. La diffraction des rayons X a confirmé que loxyde nickel-cobalt et le sulfure de zinc conservaient leurs structures cristallines bien ordonnées lorsquils étaient combinés, et que les nanotubes de carbone avaient été correctement incorporés. Les microscopes électroniques ont révélé de longs nanobâtonnets droits recouverts de petits amas de sulfure de zinc, avec des nanotubes en forme de vers sentremêlant entre eux. La cartographie chimique a montré que le nickel, le cobalt, le zinc, le soufre, loxygène et le carbone étaient tous présents et bien mélangés, tandis que la spectroscopie de surface a indiqué un mélange détats doxydation pour le nickel et le cobalt—favorable à un échange rapide délectrons avec lélectrolyte à base diode.

Du design microscopique à la performance de lappareil

Léquipe a ensuite testé le comportement de ces structures complexes à la fois électrochimiquement et dans des cellules solaires en fonctionnement. Les mesures électrochimiques ont montré quà mesure que le sulfure de zinc et davantage de nanotubes de carbone étaient ajoutés, le matériau laissait passer le courant plus facilement et nécessitait moins de tension supplémentaire pour entraîner les réactions clés avec liode. Les tests dimpédance, qui suivent la difficulté pour les charges de traverser les interfaces, ont révélé une baisse marquée de la résistance pour le composite optimisé. Utilisé comme contre-électrode dans une cellule solaire sensibilisée par colorant, le mélange le plus performant—contenant 9 % de nanotubes de carbone en poids—atteint une efficacité de conversion de puissance de 10,03 % sous un ensoleillement standard, légèrement supérieure à celle dune cellule par ailleurs identique utilisant du platine. Il a également montré un meilleur courant de sortie et un « facteur de remplissage » plus élevé, mesure de la capacité de lappareil à maintenir la tension sous charge.

Stabilité et praticité pour une utilisation réelle

Les essais thermogravimétriques, qui chauffent le matériau tout en suivant la perte de masse, ont indiqué que le composite restait structurellement robuste dans la plage de températures pertinente pour le fonctionnement des cellules solaires. Les mesures de surface spécifique et de porosité ont montré une structure mésoporeuse, avec des canaux qui permettent à lélectrolyte liquide de pénétrer et datteindre les sites actifs sans obstruer les voies de déplacement des ions. Ensemble, ces caractéristiques—bonne connectivité électrique, grande surface de réaction et intégrité maintenue—favorisent des performances fiables dans le temps plutôt quune curiosité fragile de laboratoire.

Ce que cela signifie pour les panneaux solaires futurs

Pour un non-spécialiste, le message est clair : en superposant avec soin des oxydes métalliques courants, un revêtement sulfureux et des nanotubes de carbone à léchelle nanométrique, il est possible de remplacer le coûteux platine dans une partie clé de certaines cellules solaires sans sacrifier les performances. Loxyde nickel-cobalt fournit la charpente, le sulfure de zinc ajuste la réactivité de surface et les nanotubes constituent des voies rapides pour les électrons. Ce design hiérarchique produit des cellules solaires sensibilisées par colorant efficaces, potentiellement moins chères et plus durables, ce qui les rend plus attractives pour des applications telles que lintégration au bâti ou les dispositifs solaires flexibles où le faible coût et la facilité de fabrication sont cruciaux.

Citation: Nukunudompanich, M., Nachaithong, T., Phumuen, P. et al. Remodelling hierarchical NiCo₂O₄@ZnS nanorods with multi-walled carbon nanotubes as a counter electrode for dye-sensitized solar cell applications. Sci Rep 16, 6869 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38255-7

Mots-clés: cellules solaires sensibilisées par colorant, electrodes sans platine, oxyde de nickel et de cobalt, nanotubes de carbone, sulfure de zinc