La stabilité des cellules solaires en pérovskite franchit une nouvelle étape

Les semi-conducteurs pérovskites promettent des cellules solaires très efficaces et peu coûteuses. Cependant, le matériau semi-organique est très sensible aux différences de température, ce qui peut rapidement entraîner des dommages de fatigue lors d’une utilisation extérieure normale. L’ajout d’un composé polymère dipolaire à la solution de pérovskite précurseur aide à contrecarrer cela.

Cela vient d’être démontré dans une étude publiée dans la revue La science par une équipe internationale dirigée par Antonio Abate, HZB. Les cellules solaires ainsi produites atteignent des rendements bien supérieurs à 24 %, qui ne chutent guère lors de fluctuations rapides de température entre -60 et +80 Celsius sur une centaine de cycles. Cela correspond à environ un an d’utilisation en extérieur.

La classe de matériaux des pérovskites aux halogénures est considérée comme un grand espoir pour encore plus d’énergie solaire à des coûts encore plus bas. Les matériaux sont très bon marché, peuvent être transformés en couches minces avec un apport d’énergie minimal et atteignent des rendements nettement supérieurs à ceux des cellules solaires au silicium conventionnelles.

L’objectif : 20 ans de stabilité en extérieur

Cependant, les modules solaires devraient fournir une production stable pendant au moins 20 ans dans des conditions extérieures tout en étant exposés à de grandes fluctuations de température. Le silicium PV gère cela facilement, tandis que les pérovskites semi-organiques perdent assez rapidement leurs performances.

“La lumière du soleil peut chauffer l’intérieur d’une cellule PV jusqu’à 80 °C ; dans l’obscurité, la cellule se refroidit alors immédiatement jusqu’à la température extérieure. Cela déclenche d’importantes contraintes mécaniques dans la fine couche de microcristaux de pérovskite, créant des défauts et même des transitions de phase locales. , de sorte que le film mince perd de sa qualité », explique le professeur Antonio Abate, qui dirige un grand groupe au HZB.

Avec son équipe et un certain nombre de partenaires internationaux, il a étudié une variation chimique qui améliore considérablement la stabilité du film mince de pérovskite dans différentes architectures de cellules solaires, parmi lesquelles l’architecture à broches, qui est normalement un peu moins efficace que la plus souvent architecture de pincement utilisée.

Une ‘soft shell’ contre le stress

“Nous avons optimisé la structure de l’appareil et les paramètres du processus, en nous appuyant sur les résultats précédents, et avons finalement pu obtenir une amélioration décisive avec le b-poly(1,1-difluoroéthylène) ou b-pV2F en abrégé”, explique Guixiang Li, qui fait son doctorat. .RÉ. supervisé par le Pr Abate. Les molécules b-pV2F ressemblent à une chaîne en zigzag occupée par des dipôles alternés.

“Ce polymère semble s’enrouler autour des microcristaux de pérovskite individuels dans le film mince comme une coquille souple, créant une sorte de coussin contre les contraintes thermomécaniques”, explique Abate.

Efficacité record pour l’architecture à broches : 24,6 %

En fait, les images au microscope électronique à balayage montrent que dans les cellules avec b-pV2F, les minuscules granules se nichent un peu plus près. “De plus, la chaîne dipolaire de b-pV2F améliore le transport des porteurs de charge et augmente ainsi l’efficacité de la cellule”, explique Abate. En effet, ils ont produit des cellules à l’échelle du laboratoire avec des rendements allant jusqu’à 24,6 %, ce qui est un record pour l’architecture pin.

Les cellules solaires nouvellement produites ont été soumises à plus d’une centaine de cycles entre +80 Celsius et -60 Celsius et 1000 heures d’éclairage continu équivalent à 1 soleil. Cela correspond à environ un an d’utilisation en extérieur.

“Même sous ces contraintes extrêmes, ils ont quand même atteint une efficacité de 96 % au final”, souligne Abate. C’est déjà dans le bon ordre de grandeur. S’il est maintenant possible de réduire un peu plus les pertes, les modules solaires à pérovskite pourraient encore produire la majeure partie de leur production d’origine après 20 ans – cet objectif est maintenant à portée de main.