Des scientifiques de l’EPFL ont augmenté l’efficacité et la scalabilité des cellules photovoltaïques à pérovskites en remplaçant leurs couches de transport d’électrons par une fine couche de points quantiques.
Les pérovskites sont des composés hybrides à base d’halogénures métalliques et de constituants organiques. Elles offrent un vaste potentiel dans de multiples applications, par exemple les éclairages à LED, les lasers et les photodétecteurs. Leur contribution majeure réside toutefois dans les cellules photovoltaïques, où elles sont sur le point de conquérir le marché et de concurrencer leurs homologues à base de silicium.
L’un des obstacles à la commercialisation des cellules photovoltaïques à pérovskites est la diminution de leur rendement de conversion de puissance et de leur stabilité opérationnelle lorsqu’elles sont déployées à grande échelle, ce qui rend difficile le maintien de performances élevées dans une cellule photovoltaïque.
Le problème vient en partie de la couche de transport d’électrons de la cellule. Celle-ci garantit que les électrons produits lorsque la cellule absorbe la lumière seront transférés efficacement vers l’électrode du dispositif. Dans les cellules photovoltaïques à pérovskites, la couche de transport d’électrons est constituée de dioxyde de titane mésoporeux, qui présente une faible mobilité des électrons et est également susceptible de subir des phénomènes photocatalytiques indésirables sous la lumière ultraviolette.
Dans un article récemment publié dans la revue Science, des scientifiques dirigés par le professeur Michael Grätzel de l’EPFL et le docteur Dong Suk Kim de l’Institut coréen de recherche sur l’énergie ont trouvé un moyen innovant d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques à pérovskites et diminuer leur baisse notoire d’efficacité lors de l’agrandissement de leur taille. L’idée novatrice consiste à remplacer la couche de transport d’électrons par une fine couche de points quantiques.
Les points quantiques sont des particules de taille nanométrique qui agissent comme des semi-conducteurs. Ils émettent de la lumière à des longueurs d’onde (couleurs) spécifiques lorsqu’ils sont éclairés. Leurs propriétés optiques uniques font que les points quantiques conviennent parfaitement à une utilisation dans de multiples applications optiques, y compris les dispositifs photovoltaïques.
Les scientifiques ont remplacé la couche de transport d’électrons en dioxyde de titane de leurs cellules à pérovskites par une fine couche de points quantiques d’oxyde d’étain (IV) stabilisés par de l’acide polyacrylique. Ils ont constaté que cette couche améliorait la capacité de capture de la lumière des dispositifs et qu’elle supprimait la recombinaison non radiative, un phénomène de perte d’efficacité qui se produit parfois à l’interface entre la couche de transport d’électrons et la couche à pérovskites.
En utilisant la couche de points quantiques, les chercheuses et les chercheurs ont découvert que des cellules photovoltaïques à pérovskites de 0,08 centimètre carré atteignaient un rendement de conversion de puissance record de 25,7 % (certifié 25,4 %) et une grande stabilité opérationnelle, tout en facilitant leur déploiement à grande échelle. En augmentant la surface des cellules photovoltaïques à 1, 20 et 64 centimètres carrés, le rendement de conversion de puissance a atteint 23,3, 21,7 et 20,6 % respectivement.
Auteur: Nik Papageorgiou
Autres contributeurs
- Université nationale de science et de technologie d’Ulsan
- Université d’Ulsan
- Université des sciences appliquées de Zurich
- Université d’Uppsala
Financement : Institut coréen de recherche sur l’énergie, Ministère coréen de l’éducation, Ministère coréen des sciences
Programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne
Références : Minjin Kim, Jaeki Jeong, Haizhou Lu, Tae Kyung Lee, Felix T. Eickemeyer, Yuhang Liu, In-woo Choi, Seung Ju Choi, Yimhyun Jo, Hak-Beom Kim, Sung-In Mo, Young-Ki Kim, Heunjeong Lee, Na Gyeong An, Shinuk Cho, Wolfgang R. Tress, Shaik M. Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Jin Young Kim, Michael Grätzel, Dong Suk Kim. Polymer-stabilized SnO2 quantum dot electron transporters for efficient perovskite solar cells Science 21 January 2022. DOI: 10.1126/science.abh1885
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