Une équipe internationale qui comprend des chercheurs de la faculté des sciences appliquées et de génie de l’Université de Toronto a créé une cellule solaire en pérovskite qui peut résister à des températures élevées pendant plus de 1 500 heures, une étape clé alors que cette technologie émergente se rapproche d’une application commerciale.
Les découvertes de l’équipe ont été récemment publiées dans la revue Science.
« Les cellules solaires à pérovskite offrent de nouvelles voies pour surmonter certaines des limites d’efficacité de la technologie à base de silicium, qui est aujourd’hui la norme industrielle », déclare Ted Sargent, professeur d’université au département de génie électrique et informatique Edward S. Rogers Sr. qui a récemment rejoint les départements de chimie et de génie électrique et informatique de la Northwestern University.
« Mais en raison de son avance de plusieurs décennies, le silicium a toujours un avantage dans certains domaines, y compris la stabilité. Cette étude montre comment nous pouvons combler cet écart. »
Les cellules solaires traditionnelles sont constituées de tranches de silicium de haute pureté dont la production est énergivore. De plus, ils ne peuvent absorber que certaines parties du spectre solaire.
En revanche, les cellules solaires en pérovskite sont constituées de couches de cristaux à l’échelle nanométrique, ce qui les rend plus adaptées aux méthodes de fabrication à faible coût. En ajustant la taille et la composition de ces cristaux, les chercheurs peuvent également ajuster les longueurs d’onde de la lumière qu’ils absorbent.
Il est également possible de déposer des couches de pérovskite les unes sur les autres, ou même sur des cellules solaires en silicium, leur permettant d’utiliser davantage le spectre solaire et d’augmenter encore leur efficacité.
Au cours des dernières années, les progrès du laboratoire de Sargent et d’autres ont amené l’efficacité des cellules solaires à pérovskite dans la même fourchette que ce qui est réalisable avec le silicium. Cependant, le défi de la stabilité a reçu relativement moins d’attention.
« Nous voulions travailler à des températures élevées et à une humidité relative élevée, car cela nous donnerait une meilleure idée des composants susceptibles de tomber en panne en premier et de la manière de les améliorer », explique So Min Park, stagiaire postdoctoral au laboratoire de Sargent et l’un des trois co-auteurs principaux de l’étude.
« Nous avons combiné notre expertise dans la découverte de matériaux, la spectroscopie et la fabrication de dispositifs pour concevoir et caractériser un nouveau revêtement de surface pour la surface des pérovskites. Nos données ont montré que c’est ce revêtement, composé de ligands d’ammonium fluoré, qui améliore la stabilité de la cellule globale.
Les cellules solaires en pérovskite contiennent généralement une couche de passivation, qui entoure la couche de pérovskite absorbant la lumière et agit comme un conduit permettant aux électrons de se déplacer dans le circuit environnant.
Mais selon sa composition, ainsi que son exposition à la chaleur et à l’humidité, la couche de passivation peut se déformer de manière à entraver le flux d’électrons.
« De nombreux groupes utilisent des couches de passivation constituées d’ions ammonium volumineux, une molécule organique contenant de l’azote », explique Mingyang Wei, titulaire d’un doctorat. diplômé du département de génie électrique et informatique, actuellement postdoctorant à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne et co-auteur principal de l’article.
« Même si elles forment des structures 2D stables à température ambiante, ces couches de passivation peuvent se dégrader à des températures élevées, en raison de leur mélange avec les pérovskites sous-jacentes. Nous avons remplacé les ions ammonium typiques par du 3,4,5-trifluoroanilinium. Cette nouvelle couche de passivation ne s’intercale pas dans la structure des cristaux de pérovskite, ce qui la rend thermiquement stable.
L’équipe a ensuite testé les performances des cellules en utilisant des mesures continues à une température de 85 degrés Celsius, une humidité relative de 50%, un suivi du point de puissance maximal et un éclairage équivalent à la pleine lumière du soleil. Dans l’article, ils signalent un T85 – le temps nécessaire pour que les performances de la cellule se dégradent à 85% de sa valeur d’origine – de 1 560 heures.
« Une valeur typique pour une cellule pérovskite comme celle-ci serait plutôt de 500 heures », explique Park. « Certaines équipes ont rapporté des mesures de plus de 1 000 heures, mais pas à des températures aussi élevées. Notre conception est une grande amélioration, et nous étions vraiment ravis de voir que cela fonctionnait aussi bien. »
Park affirme que la couche de passivation de l’équipe pourrait être combinée à d’autres innovations, telles que des conceptions à double ou triple jonction, pour améliorer encore les performances des cellules solaires en pérovskite.
« Nous avons encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir reproduire pleinement les performances du silicium, mais les progrès dans ce domaine ont été très rapides au cours des dernières années », dit-elle.
« Nous allons dans la bonne direction, et cette étude, espérons-le, indiquera la voie à suivre pour les autres. »
Plus d’information:
Ainsi, Min Park et al, la réactivité du ligand d’ingénierie permet le fonctionnement à haute température des cellules solaires pérovskites stables, Science (2023). DOI : 10.1126/science.adi4107