Les cellules solaires en pérovskite, connues pour leur efficacité et leur coût de production relativement faible, ont révélé une caractéristique spéciale. Des chercheurs allemands ont découvert, grâce à des mesures innovantes de photoluminescence, que les porteurs de charge libres dans ces cellules solaires pourraient bénéficier d’une forme spéciale de protection contre la recombinaison.
Les scientifiques du Centre de recherche de Jülich ont découvert une caractéristique particulière des cellules solaires en pérovskite grâce à une nouvelle technique de mesure de la photoluminescence. Ils ont constaté que la perte de porteurs de charge dans ce type de cellule suit des lois physiques différentes de celles connues pour la plupart des semi-conducteurs. Cette particularité pourrait être l’une des principales raisons de leur haut niveau d’efficacité.
Les cellules solaires en pérovskite sont considérées comme très prometteuses pour la photovoltaïque, même si leur stabilité laisse à désirer. Ces cellules sont peu coûteuses à imprimer et très efficaces. Au cours de la dernière décennie, leur efficacité a doublé pour dépasser 25 %, ce qui les place actuellement au même niveau que les cellules solaires conventionnelles en silicium. De plus, des améliorations supplémentaires semblent possibles à l’avenir.
La durée de vie des porteurs de charge
« Un facteur important est la question de la durée de vie des porteurs de charge excités dans le matériau », explique Thomas Kirchartz. « Comprendre ces processus est crucial pour améliorer encore l’efficacité des cellules solaires à base de pérovskite ».
Cet ingénieur électricien est à la tête d’un groupe de travail sur les cellules solaires organiques et hybrides à l’Institut de recherche sur l’énergie et le climat (IEK-5) du centre de recherche Jülich.
Dans une cellule solaire, les électrons sont délogés par les photons et élevés à un niveau d’énergie supérieur, passant de la bande de valence à la bande de conduction. Ce n’est qu’alors qu’ils peuvent se déplacer plus librement et circuler dans un circuit externe. Ils ne peuvent contribuer à la production d’énergie électrique que si leur durée de vie est suffisamment longue pour qu’ils traversent le matériau absorbant jusqu’au contact électrique.
Un électron excité laisse également un trou dans la bande de valence sous-jacente – une lacune mobile qui peut être déplacée à travers le matériau comme un porteur de charge positive.
Les défauts superficiels prédominent
Les chercheurs ont maintenant réfuté cette hypothèse pour les cellules solaires en pérovskite et ont montré que les défauts superficiels sont finalement décisifs en termes d’efficacité finale. Contrairement aux défauts profonds, ils ne sont pas situés au milieu de la bande interdite, mais très près de la bande de valence ou de conduction.
« La cause de ce comportement inhabituel n’a pas encore été entièrement élucidée », ajoute Thomas Kirchartz. « Il est raisonnable de supposer que les défauts profonds ne peuvent tout simplement pas exister dans ces matériaux. Cette restriction pourrait également être l’une des raisons de l’efficacité particulièrement élevée des cellules »
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En synthèse
Les cellules solaires en pérovskite, malgré leur instabilité, continuent de surprendre les chercheurs par leur efficacité et leur coût de production relativement faible. La découverte récente de la protection spéciale des porteurs de charge contre la recombinaison pourrait ouvrir la voie à de nouvelles améliorations de l’efficacité de ces cellules solaires.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la photoluminescence ?
La photoluminescence est un processus dans lequel un matériau absorbe des photons et réémet ensuite de la lumière.
Qu’est-ce qu’une cellule solaire en pérovskite ?
Une cellule solaire en pérovskite est un type de cellule solaire qui utilise la pérovskite – un type de minéral – comme matériau absorbant la lumière.
Qu’est-ce que la recombinaison ?
La recombinaison est un processus dans lequel un électron excité retombe dans un état d’énergie inférieur, souvent en émettant un photon.
Qu’est-ce que la bande de valence et la bande de conduction ?
La bande de valence est la bande d’énergie la plus élevée dans laquelle les électrons peuvent exister à l’état fondamental, tandis que la bande de conduction est la bande d’énergie la plus basse dans laquelle les électrons peuvent exister à l’état excité.
Qu’est-ce qu’un défaut superficiel ?
Un défaut superficiel est un défaut dans un matériau qui est proche de la surface du matériau, plutôt qu’au milieu de celui-ci.
Références
Illustration : Station de mesure de photoluminescence HDR : Le Dr. Genghua Yan a été responsable d’une grande partie des mesures. Copyright : Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
Yuan, Y., Yan, G., Dreessen, C. et al.
Shallow defects and variable photoluminescence decay times up to 280 µs in triple-cation perovskites. Nature Materials (2024), DOI: 10.1038/s41563-023-01771-2
