L’insertion d’une couche de fluorure métallique dans des cellules solaires en tandem multicouches pérovskite-silicium peut bloquer la recombinaison de charge et améliorer les performances, ont découvert les chercheurs de KAUST.
Les cellules solaires en tandem qui combinent des sous-cellules à base de pérovskite et de silicium dans un seul appareil devraient mieux capter et convertir la lumière du soleil en électricité que leurs analogues conventionnels en silicium à jonction unique à moindre coût. Cependant, lorsque la lumière du soleil frappe la sous-cellule de pérovskite, les paires d’électrons et les trous chargés positivement qui en résultent ont tendance à se recombiner à l’interface entre la pérovskite et la couche de transport d’électrons. De plus, une inadéquation entre les niveaux d’énergie à cette interface entrave la séparation des électrons dans la cellule. Cumulativement, ces problèmes abaissent la tension de fonctionnement maximale disponible, ou tension en circuit ouvert, des cellules en tandem et limitent les performances du dispositif.
Ces problèmes de performances peuvent être partiellement résolus en introduisant une couche de fluorure de lithium entre la pérovskite et la couche de transport d’électrons, qui comprend généralement le fullerène accepteur d’électrons (C60). Cependant, les sels de lithium se liquéfient et se diffusent facilement à travers les surfaces, ce qui rend les dispositifs instables. « Aucun des appareils n’a passé les protocoles de test standard de la Commission électrotechnique internationale, ce qui nous a incités à créer une alternative », déclare l’auteur principal Jiang Liu, postdoctorant dans le groupe de Stefaan De Wolf.
Liu, De Wolf et ses collègues ont systématiquement étudié le potentiel d’autres fluorures métalliques, tels que le fluorure de magnésium, en tant que matériaux intercalaires à l’interface perovskite/C60 des cellules en tandem. Ils ont évaporé thermiquement les fluorures métalliques sur la couche de pérovskite pour former un film uniforme ultrafin avec une épaisseur contrôlée avant d’ajouter du C60 et des composants de contact supérieur. Les couches intermédiaires sont également très transparentes et stables, conformément aux exigences des cellules solaires à broches inversées.
La couche intermédiaire de fluorure de magnésium a efficacement favorisé l’extraction d’électrons de la couche active de pérovskite tout en déplaçant le C60 de la surface de la pérovskite. Cette recombinaison de charge réduite à l’interface. Il a également amélioré le transport de charge à travers la sous-cellule.
La cellule solaire tandem résultante a obtenu une augmentation de 50 millivolts de sa tension de courant ouvert et un rendement de conversion de puissance stabilisé certifié de 29,3 %, l’un des rendements les plus élevés pour les cellules tandem pérovskite-silicium, a déclaré Liu.
« Considérant que le meilleur rendement est de 26,7 % pour les cellules à simple jonction à base de silicium cristallin grand public, cette technologie innovante pourrait apporter des gains de performances considérables sans augmenter le coût de fabrication », a déclaré Liu.
Pour explorer davantage l’applicabilité de cette technologie, l’équipe développe des méthodes évolutives pour produire des cellules tandem pérovskite-silicium à l’échelle industrielle avec des zones dépassant 200 centimètres carrés. « Nous développons également plusieurs stratégies pour obtenir des dispositifs tandem hautement stables qui passeront les protocoles critiques de stabilité industrielle », a déclaré Liu.
Jiang Liu et al, Cellules solaires tandem pérovskite-silicium efficaces et stables grâce au déplacement de contact par MgFx, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abn8910