Construit pour durer : les cellules solaires en pérovskite sont suffisamment résistantes pour correspondre au puissant silicium.


Des chercheurs de l’Université d’Oxford et d’Exciton Science ont démontré une nouvelle façon de créer des cellules solaires à pérovskite stables, avec moins de défauts et le potentiel de rivaliser enfin avec la durabilité du silicium.

En éliminant le diméthylsulfoxyde de solvant et en introduisant du chlorure de diméthylammonium comme agent de cristallisation, les chercheurs ont pu mieux contrôler les phases intermédiaires du processus de cristallisation de la pérovskite, conduisant à des films minces de meilleure qualité, avec des défauts réduits et une stabilité accrue.

De grands groupes de jusqu’à 138 dispositifs d’échantillons ont ensuite été soumis à un processus rigoureux de vieillissement accéléré et de test à des températures élevées et dans des conditions réelles.

Les cellules solaires au formamidinium-césium pérovskite créées à l’aide du nouveau procédé de synthèse ont nettement surpassé le groupe témoin et ont démontré une résistance à la dégradation thermique, à l’humidité et à la lumière.

Il s’agit d’un grand pas en avant pour égaler la stabilité du silicium commercial et fait des dispositifs tandem pérovskite-silicium un candidat beaucoup plus réaliste pour devenir la cellule solaire dominante de nouvelle génération.

Dirigé par le professeur Henry Snaith (Oxford University) et le professeur Udo Bach (Monash University), le travail a été publié dans la revue Matériaux naturels et est disponible ici.

Philippe Holzhey, doctorant à l’Université d’Oxford, chercheur Marie Curie Early Stage et co-auteur du travail, a déclaré: « Il est vraiment important que les gens commencent à changer pour se rendre compte qu’il n’y a aucune valeur dans la performance si ce n’est pas une performance stable.

« Si l’appareil dure un jour ou une semaine ou quelque chose comme ça, il n’y a pas tellement de valeur. Il doit durer des années. »

Lors des tests, le meilleur appareil a fonctionné au-dessus du seuil T80 pendant plus de 1 400 heures sous une lumière solaire simulée à 65 °C. T80 est le temps qu’il faut à une cellule solaire pour réduire à 80% son efficacité initiale, une référence commune dans le domaine de la recherche.

Au-delà de 1 600 heures, le dispositif de contrôle fabriqué à l’aide de l’approche conventionnelle au diméthylsulfoxyde a cessé de fonctionner, tandis que les dispositifs fabriqués avec la nouvelle conception améliorée conservaient 70 % de leur efficacité d’origine, dans des conditions de vieillissement accéléré.

La même étude de dégradation a été réalisée sur un groupe d’appareils à la très haute température de 85°C, les nouvelles cellules surpassant à nouveau le groupe témoin.

En extrapolant à partir des données, les chercheurs ont calculé que les nouvelles cellules vieillissent d’un facteur de 1,7 pour chaque augmentation de 10°C de la température à laquelle elles sont exposées, ce qui est proche de l’augmentation de 2 fois attendue des dispositifs commerciaux en silicium.

Le Dr David McMeekin, le premier auteur correspondant et co-auteur de l’article, était un boursier postdoctoral de l’Australian Center for Advanced Photovoltaics (ACAP) à l’Université Monash et est maintenant boursier postdoctoral Marie Skłodowska-Curie à l’Université d’Oxford.

Il a déclaré: « Je pense que ce qui nous sépare des autres études, c’est que nous avons fait beaucoup de vieillissement accéléré. Nous avons vieilli les cellules à 65 ° C et 85 ° C sous tout le spectre lumineux. »

Le nombre d’appareils utilisés dans l’étude est également important, de nombreux autres projets de recherche sur la pérovskite étant limités à un ou deux prototypes.

« La plupart des études ne montrent qu’une seule courbe sans écart type ni aucune approche statistique pour déterminer si cette conception est plus stable que l’autre », a ajouté David.

Les chercheurs espèrent que leurs travaux encourageront une plus grande concentration sur la phase intermédiaire de la cristallisation de la pérovskite en tant que facteur important pour atteindre une plus grande stabilité et une viabilité commerciale.

Ce travail a été soutenu par le Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) et le National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Contexte : À propos des pérovskites

Synthétisés artificiellement dans des conditions de laboratoire, les films minces semi-conducteurs constitués de composés de pérovskite sont beaucoup moins chers à fabriquer que les cellules solaires au silicium, avec une plus grande flexibilité et une bande interdite réglable.

Ils sont apparus de manière inattendue au cours de la dernière décennie et ont atteint des rendements de conversion de puissance impressionnants de plus de 25 %.

Cependant, trop d’attention a été accordée à la création de la cellule solaire à pérovskite la plus efficace, plutôt qu’à la résolution des problèmes fondamentaux empêchant l’utilisation du matériau dans des applications commerciales à grande échelle.

Par rapport au silicium, les pérovskites peuvent se dégrader rapidement dans des conditions réelles, l’exposition à la chaleur et à l’humidité causant des dommages et ayant un impact négatif sur les performances de l’appareil.

Résoudre ces problèmes de stabilité est le principal défi des pérovskites dans leur quête pour prendre ou « booster » le silicium via une architecture en tandem et prendre leur place dans le paysage photovoltaïque commercial.

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