Pérovskite

May 20, 2023

Les cellules solaires au silicium approchent de leur limite d'efficacité théorique de 29,4 pour cent. Mais l’année dernière, des scientifiques ont révélé qu’ils avaient créé des cellules solaires tandem qui, pour la première fois, dépassaient le seuil d’efficacité de 30 %. Maintenant, non seulement ils révèlent comment ils y sont parvenus, mais une autre équipe déclare également avoir battu ce record en utilisant une approche différente.

Les cellules solaires les plus courantes utilisent du silicium pour absorber la lumière. Les cellules solaires commerciales modernes au silicium atteignent désormais un rendement de plus de 24 pour cent, et la meilleure cellule de laboratoire a un rendement de 26,8 pour cent.

Une façon d’augmenter l’efficacité d’une cellule solaire consiste à empiler deux matériaux différents absorbant la lumière dans un seul appareil. Cette approche tandem augmente le spectre de lumière solaire que la cellule solaire peut capter.

"Les aspects de stabilité et d'évolutivité devraient désormais être au centre des préoccupations."

De plus en plus de scientifiques étudient l’utilisation de pérovskites dans des cellules solaires en tandem, car ces cristaux sont peu coûteux et faciles à produire en laboratoire. Une approche courante consiste à utiliser une cellule supérieure en pérovskites pour absorber la lumière visible de plus haute énergie et une cellule inférieure en silicium pour les rayons infrarouges de plus faible énergie.

En 2022, une équipe de chercheurs allemands a révélé comment ils avaient développé une cellule solaire tandem pérovskite-silicium avec une efficacité de 29,8 %, tandis qu'un groupe distinct du Centre suisse d'électronique et de microtechnologie de Neuchâtel, en Suisse, et leurs collaborateurs établissaient un nouveau record. de 31,25 pour cent.

«C'est la première fois qu'une technologie dotée d'une architecture compatible avec la production de masse atteint un rendement supérieur à 30 pour cent», explique Quentin Jeangros, spécialiste des matériaux au Centre suisse d'électronique et de microtechnique.

Les chercheurs neuchâtelois et leurs collègues ont dévoilé comment ils ont construit leur appareil, tandis que les scientifiques berlinois et leurs collaborateurs ont dévoilé une nouvelle cellule solaire tandem avec un rendement allant jusqu'à 32,5 pour cent.

Le groupe neuchâtelois a révélé que son dispositif était constitué d'une cellule supérieure en pérovskite sur une cellule inférieure en silicium comportant des pyramides de quelques micromètres de hauteur. L'utilisation d'une surface texturée au lieu d'une surface plate a amélioré les capacités de piégeage de la lumière de la surface.

Cette image en microscopie électronique de la face avant des cellules solaires tandem à haute efficacité en pérovskite sur silicium révèle une surface texturée et une couche de fullerène de carbone 60, qui ont toutes deux contribué à maximiser la capture de la lumière et à prévenir la perte de charge. Quentin Jeangros et Chin Yu Xin/CSEM

Ce groupe a utilisé une méthode en deux étapes pour déposer la pérovskite. Ils ont d’abord utilisé l’évaporation thermique pour déposer un modèle inorganique sur la cellule inférieure en silicium recouverte d’une pyramide. Ensuite, ils ont utilisé une solution pour cristalliser cet échafaudage en pérovskite. Cela a permis de garantir que la pérovskite formait également des pyramides pour capter la lumière.

Un problème clé auquel les cellules solaires tandem pérovskite-silicium sont confrontées est d'empêcher la perte de charge des électrons chargés négativement et les trous chargés positivement se recombinant dans la cellule supérieure en pérovskite après que la lumière ait aidé à séparer ces charges. Une stratégie utilisée par les équipes de Neuchâtel et de Berlin pour surmonter ce problème consistait à placer une couche de fullerène de carbone 60 capable d'extraire efficacement les électrons de la pérovskite.

Cependant, au niveau des défauts à la surface de la pérovskite, les électrons et les trous pourraient se recombiner. Le groupe neuchâtelois a évité cela en utilisant des additifs d'acide phosphonique lors de la cristallisation des cellules pérovskites qui ont permis d'éviter la formation de ces défauts.

«Ces résultats montrent que la technologie est prête à passer à l'étape suivante de son développement, ce qui signifie que les aspects de stabilité et d'évolutivité doivent désormais être au centre des préoccupations», déclare Xin Yu Chin, scientifique des matériaux à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. laboratoire photovoltaïque à Neuchâtel.

En utilisant une approche différente, l’équipe de Berlin s’est appuyée sur un liquide ionique appelé iodure de pipérazinium. Le fluide est un sel composé à la fois de cations chargés positivement et d’anions chargés négativement. Cela lui permet de modifier les défauts de surface positifs et négatifs de la pérovskite afin de réduire la recombinaison.