Une nouvelle méthode résout le problème des cellules solaires en pérovskite

Les chercheurs du NREL proposent une approche de croissance qui améliore l’efficacité et la stabilité

Une nouvelle approche de la fabrication de cellules solaires en pérovskite a résolu les problèmes précédents et produit des dispositifs à haut rendement et excellente stabilité, rapportent des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) dans le nouveau numéro de la revue Science.

Le développement de pérovskites hautement stables et efficaces à base d’un riche mélange de brome et d’iode est considéré comme essentiel pour la création de cellules solaires en tandem. Les deux éléments ont cependant tendance à se séparer lorsqu’ils sont exposés à la lumière et à la chaleur et limitent ainsi la tension et la stabilité d’une cellule solaire.

« Cette nouvelle approche de croissance peut supprimer de manière significative la ségrégation de phase », a déclaré Kai Zhu, scientifique principal au NREL, chercheur principal du projet et auteur principal du nouvel article « Ingénierie de texture compositionnelle pour des cellules solaires à pérovskite à large bande très stables ». ” Ses co-auteurs de NREL sont Qi Jiang, Jinhui Tong, Rebecca Scheidt, Amy Louks, Robert Tirawat, Axel Palmstrom, Matthew Hautzinger, Steven Harvey, Steve Johnston, Laura Schelhas, Bryon Larson, Emily Warren, Matthew Beard et Joseph Berry.

D’autres chercheurs impliqués sont à l’Université de Tolède.

La nouvelle approche a résolu ce problème et a produit une cellule solaire à large bande interdite avec une efficacité supérieure à 20 % et une phototension de 1,33 volt et peu de changement dans l’efficacité sur 1 100 heures de fonctionnement continu à haute température. Avec cette nouvelle approche, une cellule tandem tout pérovskite a obtenu un rendement de 27,1% avec un photovoltage élevé de 2,2 volts et une bonne stabilité de fonctionnement.

Dans la cellule tandem, la couche à bande interdite étroite est déposée au-dessus de la couche à large bande interdite. La différence de bande interdite permet de capturer et de convertir une plus grande partie du spectre solaire en électricité.

La pérovskite fait référence à une structure cristalline formée par le dépôt de produits chimiques sur un substrat. Une concentration élevée de brome provoque une cristallisation plus rapide du film de pérovskite et conduit souvent à des défauts qui réduisent les performances d’une cellule solaire. Diverses stratégies ont été essayées pour atténuer ces problèmes, mais la stabilité des cellules solaires à pérovskite à large bande est toujours considérée comme insuffisante.

L’approche nouvellement développée s’appuie sur les travaux de Zhu et de ses collègues publiés plus tôt cette année qui ont inversé la cellule pérovskite typique. L’utilisation de cette structure architecturale inversée a permis aux chercheurs d’augmenter à la fois l’efficacité et la stabilité et d’intégrer facilement des cellules solaires en tandem.

Le groupe dirigé par NREL a utilisé cette même architecture et s’est éloigné de la méthode conventionnelle de fabrication d’une pérovskite. La méthode traditionnelle utilise un antisolvant appliqué aux produits chimiques de cristallisation pour créer un film de pérovskite uniforme. La nouvelle approche reposait sur ce que l’on appelle la trempe au gaz, dans laquelle un flux d’azote était soufflé sur les produits chimiques. Le résultat a résolu le problème de la séparation du brome et de l’iode, résultant en un film de pérovskite avec des propriétés structurelles et optoélectroniques améliorées.

L’approche antisolvant permet aux cristaux de se développer rapidement et uniformément dans le film de pérovskite, se resserrant les uns les autres et conduisant à des défauts là où les joints de grains se rencontrent. Le processus de trempe au gaz, lorsqu’il est appliqué à des produits chimiques de pérovskite à haute teneur en brome, force les cristaux à se développer ensemble, étroitement emballés de haut en bas, de sorte qu’ils deviennent comme un seul grain et réduisent considérablement le nombre de défauts. La méthode de croissance descendante forme une structure en gradient, avec plus de brome près du sommet et moins dans la masse de la cellule. La méthode de trempe au gaz était également statistiquement plus reproductible que l’approche antisolvant.

Les chercheurs ont atteint une efficacité supérieure à 20 % pour la couche à large bande interdite et une stabilité opérationnelle avec moins de 5 % de dégradation sur 1 100 heures. Couplé à la cellule du bas, l’appareil a atteint la barre des 27,1 % d’efficacité.

Les chercheurs ont également essayé l’argon et l’air comme gaz de séchage avec des résultats similaires, indiquant que la méthode de trempe au gaz est un moyen général d’améliorer les performances des cellules solaires à pérovskite à large bande interdite.

La nouvelle approche de croissance a démontré le potentiel des dispositifs tandem tout pérovskite hautes performances et a fait progresser le développement d’autres architectures tandem à base de pérovskite telles que celles qui incorporent du silicium.

Le Bureau des technologies de l’énergie solaire du Département américain de l’énergie a financé la recherche.

Avec l’aimable autorisation de NREL, le principal laboratoire national du Département américain de l’énergie pour la recherche et le développement sur les énergies renouvelables et l’efficacité énergétique. NREL est exploité pour le DOE par l’Alliance for Sustainable Energy LLC.

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