Des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU) ont franchi un obstacle majeur sur la voie de la commercialisation des cellules solaires à pérovskite (PVSC), une alternative très prometteuse aux cellules solaires traditionnelles à base de silicium en raison de leur efficacité supérieure en matière de conversion de l’énergie et de leur prix abordable.
L’équipe a réussi à résoudre le problème de la stabilité à long terme en concevant un additif innovant, multifonctionnel et non volatil qui améliore à la fois l’efficacité et la stabilité des PVSC en régulant la croissance du film de pérovskite. Cette approche novatrice et efficace pourrait ouvrir la voie à l’adoption généralisée de la technologie PVSC dans le secteur des énergies renouvelables.
« Ce type d’additif multifonctionnel peut généralement être utilisé pour produire différentes compositions de pérovskite afin de fabriquer des cellules solaires à pérovskite très efficaces et stables. Les films de pérovskite de haute qualité permettront d’augmenter la taille des panneaux solaires de grande surface« , a expliqué le professeur Alex Jen Kwan-yue, titulaire de la chaire Lee Shau Kee en science des matériaux et directeur de l’Institut de Hong Kong pour l’énergie propre à la CityU, qui a dirigé l’étude.
Les PVSC ont attiré l’attention en raison de leur impressionnante efficacité de conversion de l’énergie solaire (PCE). Étant donné que les pérovskites peuvent être déposées à partir de solutions sur les surfaces de fabrication, les PVSC ont le potentiel d’être utilisés dans les applications photovoltaïques intégrées aux bâtiments (BIPV), les dispositifs portables et les fermes solaires. Cependant, l’efficacité et la stabilité sont toujours affectées par la perte d’énergie importante associée aux défauts intégrés aux interfaces et aux joints de grains des pérovskites. Par conséquent, la qualité intrinsèque du film de pérovskite joue un rôle essentiel dans la détermination de l’efficacité et de la stabilité des PVSC.
Bien que de nombreuses recherches antérieures se soient concentrées sur l’amélioration de la morphologie et de la qualité du film à l’aide d’additifs volatils, ces additifs ont tendance à s’échapper du film après le recuit, créant un vide à l’interface pérovskite-substrat.
Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs de la CityU ont mis au point une stratégie simple mais efficace de modulation de la croissance du film de pérovskite afin d’en améliorer la qualité. Ils ont découvert qu’en ajoutant une molécule multifonctionnelle (le chlorhydrate d’acide 4-guanidinobenzoïque (GBAC)) au précurseur de pérovskite, une phase intermédiaire pontée par l’hydrogène se forme et module la cristallisation pour obtenir des films de pérovskite de haute qualité avec de gros grains de cristal de pérovskite et une croissance cohérente des grains de la base à la surface du film. Cette molécule peut également servir de lien de passivation des défauts efficace (une méthode pour réduire la densité des défauts du film de pérovskite) dans le film de pérovskite recuit en raison de sa non-volatilité, ce qui permet de réduire considérablement la perte par recombinaison non radiative et d’améliorer la qualité du film.
Leurs expériences ont montré que la densité de défauts des films de pérovskite peut être considérablement réduite après l’introduction du GBAC. Le rendement de conversion d’énergie des cellules solaires p-i-n inversées basées sur les pérovskites modifiées a été porté à 24,8 % (24,5 % certifié par le Japan Electrical Safety & Environment Technology Laboratories), ce qui est l’une des valeurs les plus élevées rapportées dans la littérature. En outre, la perte d’énergie globale du dispositif a été réduite à 0,36eV, ce qui représente l’une des pertes d’énergie les plus faibles parmi les dispositifs PVSC à haut rendement de conversion d’énergie.
En outre, les dispositifs non encapsulés présentent une meilleure stabilité thermique au-delà de 1 000 heures sous chauffage continu à 65 ± 5 °C dans une boîte à gants remplie d’azote, tout en conservant 98 % de l’efficacité d’origine.
L’équipe a démontré l’applicabilité générale de cette stratégie à différentes compositions de pérovskite et à des dispositifs de grande surface. Par exemple, un dispositif de grande surface (1 cm2) dans l’expérience a permis d’obtenir un PCE élevé de 22,7 % avec cette stratégie, ce qui indique un excellent potentiel pour la fabrication de PVSC évolutifs et très efficaces.
Ces travaux ouvrent la voie à l’optimisation de la qualité des films de pérovskite afin de faciliter le développement de cellules solaires à pérovskite très efficaces et stables et leur mise à l’échelle pour des applications pratiques », a déclaré le professeur Jen.
À l’avenir, l’équipe a pour objectif d’étendre les structures moléculaires et d’optimiser la structure du dispositif par le biais de la composition et de l’ingénierie interfaciale. Elle se concentrera également sur la fabrication de dispositifs de grande surface.
Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature Photonics sous le titre « Hydrogen-bond-bridged intermediate for perovskite solar cells with enhanced efficiency and stability ».
Légende illustration : Photo d’une cellule solaire en pérovskite de 1 cm2 avec additif. Crédit – City University of Hong Kong
Le professeur Jen est l’auteur correspondant de la recherche. Les co-premiers auteurs sont Mlle Li Fengzhu et le Dr Deng Xiang du groupe de recherche du professeur Jen. Les autres membres de l’équipe de CityU sont le Dr Chen Xiankai, le Dr Tsang Sai-wing, le Dr Yang Zhengbao, le Dr Francis Lin et le Dr Wu Shengfan.
La recherche a été soutenue par la CityU, la Commission pour l’innovation et la technologie, le Research Grants Council, le Green Tech Fund du Bureau de l’environnement et de l’écologie de Hong Kong, le Guangdong Major Project of Basic and Applied Basic Research et le Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory of Optoelectronic and Magnetic Functional Materials.
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