Les matériaux solaires de nouvelle génération sont moins chers et plus durables à produire que les cellules solaires au silicium traditionnelles, mais des obstacles subsistent pour rendre les dispositifs suffisamment durables pour résister aux conditions du monde réel. Une nouvelle technique développée par une équipe de scientifiques internationaux pourrait simplifier le développement de cellules solaires à pérovskite efficaces et stables, du nom de leur structure cristalline unique qui excelle dans l’absorption de la lumière visible.
Les scientifiques, dont Nelson Dzade, professeur à Penn State, ont rapporté dans la revue Énergie naturelle leur nouvelle méthode pour créer des cellules solaires à pérovskite plus durables qui atteignent toujours un rendement élevé de 21,59 % de conversion de la lumière solaire en électricité.
Les pérovskites sont une technologie solaire prometteuse car les cellules peuvent être fabriquées à température ambiante en utilisant moins d’énergie que les matériaux traditionnels en silicium, ce qui les rend plus abordables et plus durables à produire, selon Dzade, professeur adjoint d’ingénierie énergétique et minérale à l’Université John et Willie Leone. Département familial de génie énergétique et minéral et co-auteur de l’étude.
Cependant, les principaux candidats utilisés pour fabriquer ces dispositifs, les halogénures métalliques hybrides organiques-inorganiques, contiennent des composants organiques sensibles à l’humidité, à l’oxygène et à la chaleur, et l’exposition aux conditions réelles peut entraîner une dégradation rapide des performances, ont indiqué les scientifiques.
Une solution consiste à se tourner vers des matériaux pérovskites entièrement inorganiques comme l’iodure de césium et de plomb, qui possède de bonnes propriétés électriques et une tolérance supérieure aux facteurs environnementaux. Cependant, ce matériau est polymorphe, ce qui signifie qu’il comporte plusieurs phases avec des structures cristallines différentes. Deux des phases photoactives sont bonnes pour les cellules solaires, mais elles peuvent facilement se transformer en une phase non photoactive indésirable à température ambiante, ce qui introduit des défauts et dégrade l’efficacité de la cellule solaire, ont indiqué les scientifiques.
Les scientifiques ont combiné les deux polymorphes photoactifs de l’iodure de césium et de plomb pour former une hétérojonction de phase, ce qui peut supprimer la transformation en phase indésirable, ont indiqué les scientifiques. Les hétérojonctions sont formées en empilant différents matériaux semi-conducteurs, comme les couches d’une cellule solaire, avec des propriétés optoélectroniques différentes. Ces jonctions dans les appareils solaires peuvent être adaptées pour aider à absorber plus d’énergie du soleil et à la convertir plus efficacement en électricité.
« Ce qui est beau avec ce travail, c’est qu’il montre que la fabrication de cellules solaires à hétérojonction de phase en utilisant deux formes polymorphes du même matériau est la voie à suivre », a déclaré Dzade. « Cela améliore la stabilité du matériau et empêche l’interconversion entre les deux phases. La formation d’une interface cohérente entre les deux phases permet aux électrons de circuler facilement à travers le dispositif, conduisant à une meilleure efficacité de conversion de puissance. C’est ce que nous avons démontré dans ce travail. »
Les chercheurs ont fabriqué un dispositif qui a atteint un rendement de conversion de puissance de 21,59 %, parmi les plus élevés rapportés pour ce type d’approche, et une excellente stabilité. Les appareils ont conservé plus de 90 % de leur efficacité initiale après 200 heures de stockage dans des conditions ambiantes, a déclaré Dzade.
« Lorsqu’elle est passée d’un laboratoire à un module solaire réel, notre conception a montré une efficacité de conversion d’énergie de 18,43 % pour une surface de cellule solaire de plus de 7 pouces carrés (18,08 centimètres carrés) », a déclaré Dzade. « Ces premiers résultats mettent en évidence le potentiel de notre approche pour développer des modules de cellules solaires à pérovskite ultra-larges et évaluer de manière fiable leur stabilité. »
Dzade a modélisé la structure et les propriétés électroniques de l’hétérojonction à l’échelle atomique et a découvert que le rapprochement des deux phases photoactives créait une structure d’interface stable et cohérente, qui favorise une séparation et un transfert efficaces de charges, propriétés souhaitables pour obtenir des dispositifs solaires à haut rendement.
Les collègues de Dzade de l’Université de Chonnam en Corée du Sud ont développé la méthode unique de double dépôt pour fabriquer le dispositif : déposer une phase avec une technique à air chaud et l’autre avec une évaporation thermique à triple source. L’ajout de petites quantités d’additifs moléculaires et organiques pendant le processus de dépôt a encore amélioré les propriétés électriques, l’efficacité et la stabilité du dispositif, a déclaré Sawanta S. Mali, professeur-chercheur à l’Université de Chonnam en Corée du Sud et auteur principal de l’article.
« Nous pensons que la technique de double dépôt que nous avons développée dans ce travail aura des implications importantes pour la fabrication de cellules solaires à pérovskite hautement efficaces et stables », a déclaré Nelson Dzade, professeur adjoint d’ingénierie énergétique et minérale au Département de l’énergie de la famille John et Willie Leone. et génie minéral et co-auteur de l’étude.
Les chercheurs ont déclaré que la technique de double dépôt pourrait ouvrir la voie au développement de cellules solaires supplémentaires basées sur toutes les pérovskites inorganiques ou d’autres compositions de pérovskites aux halogénures. En plus d’étendre la technique à différentes compositions, les travaux futurs consisteront à rendre les cellules à hétérojonction de phase actuelles plus durables dans des conditions réelles et à les adapter à la taille des panneaux solaires traditionnels, ont indiqué les chercheurs.
« Avec cette approche, nous pensons qu’il devrait être possible dans un avenir proche de faire passer l’efficacité de ce matériau au-delà de 25 % », a déclaré Dzade. « Et une fois que nous faisons cela, la commercialisation devient très proche. »
Plus d’information:
Sawanta S. Mali et al, Cellules solaires à pérovskite entièrement inorganiques à hétérojonction de phase dépassant 21,5 % d’efficacité, Énergie naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41560-023-01310-y