Une collaboration de recherche internationale produit une cellule solaire tandem entièrement en pérovskite avec un rendement élevé et une tension record

Une collaboration entre l’Université de Toronto Engineering, l’Université Northwestern et l’Université de Toledo a abouti à une cellule solaire tandem entièrement pérovskite avec un rendement extrêmement élevé et une tension record.

Le dispositif prototype démontre le potentiel de cette technologie photovoltaïque émergente pour surmonter les principales limites associées aux cellules solaires au silicium traditionnelles, tout en offrant également un coût de fabrication inférieur.

“De nouvelles améliorations de l’efficacité des cellules solaires sont cruciales pour la décarbonisation continue de notre économie”, déclare Ted Sargent, professeur d’ingénierie à l’Université de Toronto, qui a récemment rejoint le Département de chimie et le Département de génie électrique et informatique de l’Université Northwestern.

“Alors que les cellules solaires au silicium ont connu des progrès impressionnants ces dernières années, il existe des limites inhérentes à leur efficacité et à leur coût, résultant des propriétés des matériaux. La technologie pérovskite peut surmonter ces limites, mais jusqu’à présent, elle avait fonctionné en dessous de son plein potentiel. Notre dernière étude identifie une raison clé à cela et montre la voie à suivre.”

Les cellules solaires traditionnelles sont fabriquées à partir de tranches de silicium de très haute pureté, dont la production est coûteuse en énergie. En revanche, les cellules solaires en pérovskite sont construites à partir de cristaux de taille nanométrique qui peuvent être dispersés dans un liquide et appliqués par centrifugation sur une surface à l’aide de techniques peu coûteuses et bien établies.

Un autre avantage des pérovskites est qu’en ajustant l’épaisseur et la composition chimique des films cristallins, les fabricants peuvent « ajuster » sélectivement les longueurs d’onde de la lumière qui sont absorbées et converties en électricité, alors que le silicium absorbe toujours la même partie du spectre solaire.

Dans un nouvel article publié aujourd’hui dans La naturel’équipe internationale de chercheurs a utilisé deux couches différentes de pérovskite, chacune adaptée à une partie différente du spectre solaire, pour produire ce que l’on appelle une cellule solaire en tandem.

“Dans notre cellule, la couche supérieure de pérovskite a une bande interdite plus large, qui absorbe bien dans la partie ultraviolette du spectre, ainsi qu’un peu de lumière visible”, explique Chongwen Li, chercheur postdoctoral au laboratoire de Sargent et l’un des cinq co- auteurs principaux du nouveau document.

“La couche inférieure a une bande interdite étroite, qui est davantage orientée vers la partie infrarouge du spectre. Entre les deux, nous couvrons plus de spectre que ce qui serait possible avec du silicium.”

La conception en tandem permet à la cellule de produire une tension en circuit ouvert très élevée, ce qui améliore son efficacité. Mais l’innovation clé est venue lorsque l’équipe a analysé l’interface entre la couche de pérovskite, où la lumière est absorbée et transformée en électrons excités, et la couche adjacente, connue sous le nom de couche de transport d’électrons.

“Ce que nous avons découvert, c’est que le champ électrique à travers la surface de la couche de pérovskite – nous l’appelons le potentiel de surface – n’était pas uniforme”, explique Ph.D. étudiant Aidan Maxwell, un autre co-auteur principal.

“L’effet de ceci était qu’à certains endroits, les électrons excités se déplaçaient facilement dans la couche de transport d’électrons, mais dans d’autres, ils se recombinaient simplement avec les trous qu’ils avaient laissés. Ces électrons étaient perdus dans le circuit.”

Pour relever ce défi, l’équipe a appliqué une substance connue sous le nom de 1,3-propanediammonium (PDA) sur la surface de la couche de pérovskite. Bien que le revêtement n’ait que quelques nanomètres d’épaisseur, cela a fait une grande différence.

“Le PDA a une charge positive et il est capable d’uniformiser le potentiel de surface”, explique le boursier postdoctoral Hao Chen, un autre des co-auteurs principaux.

“Lorsque nous avons ajouté le revêtement, nous avons obtenu un bien meilleur alignement énergétique de la couche de pérovskite avec la couche de transport d’électrons, ce qui a conduit à une grande amélioration de notre efficacité globale.”

Le prototype de cellule solaire de l’équipe mesure un centimètre carré de surface et produit une tension en circuit ouvert de 2,19 électron-volts, ce qui est un record pour les cellules solaires en tandem entièrement pérovskites. Son efficacité de conversion de puissance a été mesurée à 27,4 %, ce qui est supérieur au record actuel des cellules solaires traditionnelles en silicium à simple jonction. La cellule a également été certifiée de manière indépendante au National Renewable Energy Laboratory du Colorado, offrant une efficacité de 26,3 %.

L’équipe a utilisé des méthodes standard de l’industrie pour mesurer la stabilité de la nouvelle cellule et a constaté qu’elle maintenait 86 % de son efficacité initiale après 500 heures de fonctionnement continu.

“Continuer à faire progresser l’efficacité et la stabilité des cellules solaires de nouvelle génération est une priorité cruciale pour décarboner l’approvisionnement en électricité”, déclare le professeur Alberto Salleo, président du département de science et d’ingénierie des matériaux de l’université de Stanford, qui n’a pas participé à l’étude. .

“L’équipe a développé une compréhension chimique approfondie de ce qui limitait une interface cruciale – la jonction avec la couche d’extraction d’électrons – dans la partie à large bande interdite des cellules solaires en pérovskite. Ces connaissances issues de la science fondamentale ont été mises en œuvre avec des stratégies innovantes d’ingénierie des matériaux, continuera à faire avancer le domaine.”

Les chercheurs vont maintenant se concentrer sur l’amélioration de l’efficacité en augmentant le courant qui traverse la cellule, en améliorant la stabilité et en agrandissant la surface de la cellule afin qu’elle puisse être mise à l’échelle jusqu’à des proportions commerciales.

L’identification du rôle clé joué par les interfaces entre les couches indique également la voie vers de futures améliorations potentielles.

“Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur l’interface entre la couche de pérovskite et la couche de transport d’électrons, mais il existe une autre couche importante qui extrait les” trous “que ces électrons laissent derrière eux”, explique Sargent.

“L’une des choses les plus intrigantes de mon expérience dans ce domaine est qu’apprendre à maîtriser une interface ne vous apprend pas nécessairement les règles de maîtrise des autres interfaces. Je pense qu’il y a encore beaucoup de découvertes à faire.”

Maxwell dit que la capacité de la technologie pérovskite à tenir tête au silicium, même si ce dernier a une longueur d’avance de plusieurs décennies, est encourageante.

“Au cours des dix dernières années, la technologie pérovskite a parcouru presque autant que le silicium au cours des 40 dernières années”, dit-il. “Imaginez ce qu’il sera capable de faire dans dix ans.”