Nouvelles découvertes concernant le rendement élevé des cellules solaires à pérovskite


Les porteurs de charge libres dans les cellules solaires à pérovskite disposent probablement d'une forme particulière de protection contre la recombinaison, ont découvert des chercheurs du Forschungszentrum Jülich grâce à des mesures innovantes de photoluminescence.

Très efficaces et relativement peu coûteuses à produire, les cellules solaires à pérovskite ont fait l'objet de surprises répétées ces dernières années. Les scientifiques du Forschungszentrum Jülich ont découvert une autre particularité des cellules grâce à une nouvelle technique de mesure de la photoluminescence. Ils ont découvert 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. C’est peut-être l’une des principales raisons de leur haut niveau d’efficacité. Les résultats ont été présentés dans la revue Matériaux naturels.

Les cellules solaires à pérovskite sont considérées comme très prometteuses pour le photovoltaïque, même si leur stabilité laisse beaucoup à désirer. Les cellules de ce type sont peu coûteuses à imprimer et très efficaces. Au cours de la dernière décennie, leur efficacité a doublé pour atteindre plus de 25 % et est donc aujourd'hui comparable à celle des cellules solaires conventionnelles en silicium. D’autres améliorations semblent également possibles à l’avenir.

« Un facteur important ici est la question de savoir combien de temps les porteurs de charge excités restent dans le matériau, c'est-à-dire leur durée de vie », explique Thomas Kirchartz. « Comprendre les processus est crucial pour améliorer davantage l'efficacité des cellules solaires à base de pérovskite. » L'ingénieur électricien dirige 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 Forschungszentrum Jülich.

C'est la vie qui compte

Dans une cellule solaire, les électrons sont délogés par les photons et élevés à un niveau d'énergie plus élevé de la bande de valence à la bande de conduction. Ce n’est qu’alors qu’ils pourront se déplacer plus librement et circuler dans un circuit externe. Ils ne peuvent contribuer à la génération d’énergie électrique que si leur durée de vie est suffisamment longue pour pouvoir traverser 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.

Ce sont principalement des défauts dans le réseau cristallin qui garantissent que les électrons excités retombent rapidement à des niveaux d’énergie inférieurs. Les électrons affectés ne sont alors plus en mesure de contribuer au flux de courant. « Ce mécanisme est également connu sous le nom de recombinaison et constitue le principal processus de perte de chaque cellule solaire », explique Kirchartz.

La recombinaison cruciale pour l’efficacité

Aucune cellule solaire n’est parfaite au niveau atomique ; chacun présente différents types de défauts dus au processus de fabrication. Ces défauts ou atomes étrangers dans la structure du réseau sont les points de collecte où les électrons et les trous ont tendance à se rassembler. Les électrons retombent alors dans la bande de valence et ne servent plus à rien en termes de production d’électricité.

« On pensait auparavant que la recombinaison était principalement déclenchée par des défauts situés énergétiquement au milieu entre les bandes de valence et de conduction. En effet, ces défauts profonds sont également accessibles aux électrons excités et à leurs homologues, les trous », explique Kirchartz. En effet, cela est probablement vrai pour la plupart des types de cellules solaires.

Les défauts peu profonds dominent

Cependant, Kirchartz et son équipe ont désormais réfuté cette hypothèse pour les cellules solaires à pérovskite et montré que les défauts peu profonds sont en fin de compte décisifs en termes de leur 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 Kirchartz. « Il est raisonnable de supposer que des défauts profonds ne peuvent tout simplement pas exister dans ces matériaux. Cette restriction peut également être l'une des raisons du rendement particulièrement élevé des cellules. »

Nouvelle technique de mesure HDR avec plage dynamique étendue

L’observation n’a été rendue possible que grâce à des mesures innovantes de photoluminescence transitoire. Lors de mesures précédentes, il n'était pas possible de distinguer les processus de perte provoqués par des défauts peu profonds de ceux provoqués par d'autres facteurs.

La nouvelle méthode de mesure développée par Thomas Kirchartz et son équipe du Forschungszentrum Jülich fournit des données avec une plage dynamique nettement accrue par rapport à la technologie conventionnelle, c'est-à-dire des données sur une plage de mesure plus large et avec une meilleure gradation fine. Le processus est basé sur un principe similaire à l’image HDR en qualité de plage dynamique élevée. La plage dynamique de la caméra est augmentée en superposant différentes images ou mesures – dans ce cas des signaux avec différents niveaux d'amplification – pour créer un ensemble de données.

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