Record de stabilité pour des cellules en pérovskite à haut rendement

Des scientifiques de l’EPFL ont fortement amélioré la stabilité opérationnelle de cellules solaires en pérovskite en introduisant du thiocyanate de cuivre protégé par une fine couche d’oxyde de graphène réduit. Les dispositifs ont perdu moins de 5% de leurs performances lorsqu’ils ont été soumis à un test de vieillissement fortement accéléré, pendant lequel ils ont été exposés pendant plus de 1’000 heures à la lumière solaire maximale, à 60°C.

Les cellules solaires en pérovskite (PSCs) sont capables d’offrir un haut rendement de conversion de la lumière, pour des coûts de fabrication limités. Mais pour être viables commercialement, les films de pérovskite doivent aussi être durables et ne pas se dégrader à la lumière solaire avec le temps. Des scientifiques de l’EPFL viennent d’améliorer notablement la stabilité opérationnelle des PSCs, qui conservent plus de 95% de leur rendement initial, supérieur à 20%, sous une illumination solaire complète à 60°C pendant plus de 1000 heures. Cette percée, qui marque la stabilité la plus élevée pour ces cellules solaires en pérovskite, est publiée dans Science.

Le défi de la stabilité

Les cellules solaires conventionnelles en silicium ont atteint un point de maturité, avec des rendements plafonnant à environ 25% et des problèmes de coûts de fabrication élevés, un poids important et leur rigidité, qui demeurent largement non-résolus. A l’opposé, une nouvelle technologie photovoltaïque basée sur des cellules solaires en pérovskite a déjà atteint un rendement de plus de 22%.

Etant donné la grande polyvalence et le faible coût de production des matériaux en pérovskite, les PSCs sont promises à incarner l’avenir de la technologie photovoltaïque en offrant des cellules solaires bon marché, légères et à haut rendement. Mais jusqu’ici, seuls de très coûteux prototypes de matériaux transporteurs de trous (HTMs, qui transportent sélectivement les charges positives dans une cellule solaire) ont été capables d’atteindre des rendements de conversion électrique de plus de 20%. Et en raison des caractéristiques de leurs ingrédients, ces matériaux transporteurs de trous affectent négativement la stabilité opérationnelle des PSCs.

Aussi la recherche de transporteurs de trous bon marché et stables, produisant des rendements aussi élevés, est particulièrement nécessaire pour permettre un déploiement à grande échelle de cellules solaires en pérovskite. Parmi divers HTMs inorganiques, le thiocynate de cuivre (CuSCN) apparaît comme un candidat stable, efficace et bon marché (0,5 $/g contre 500 $/g pour le spiro-OMeTAD couramment utilisé). Mais de précédentes tentatives d’utiliser le CuSCN comme transporteur de trous dans des cellules solaires en pérovskite ont obtenu des rendements modérément stabilisés seulement, et une faible durée de vie, en raison de problèmes associés à la dépose d’une couche de haute qualité de CuSCN sur le film de pérovskite, aussi bien que l’instabilité chimique de la couche de CuSCN lorsqu’elle est intégrée dans une cellule solaire en pérovskite.

Une solution stable

Des chercheurs au laboratoire de Michael Grätzel à l’EPFL, dans le cadre d’un projet dirigé par les postdoctorants Neha Arora et M. Ibrahim Dar, viennent d’introduire deux nouveaux concepts qui surmontent les principaux défauts des cellules solaires en pérovskite basées sur le CuSCN. D’abord, ils ont développé une méthode dynamique simple sur la base d’une solution pour déposer des couches de CuSCN fortement enrobantes de 60 nm d’épaisseur qui permet la fabrication de cellules solaires en pérovskite avec des rendements de conversion dépassant 20%. C’est comparable aux rendements des cellules solaires en pérovskite spiro-OMeTAD de pointe les plus performantes.

Ensuite, les scientifiques ont introduit une fine couche d’espacement en oxyde de graphène réduit entre les couches de CuSCN et une couche d’or. Cette innovation a permis aux cellules solaires en pérovskite d’atteindre une excellente stabilité opérationnelle, conservant plus de 95% de leur rendement initial en travaillant à un point de puissance maximal pendant 1’000 heures sous une illumination solaire complète à 60°C. Cela dépasse même la stabilité de cellules solaires en pérovskite à base de HTM organique qui font l’objet d’une recherche intense et ont récemment dominé le domaine.

Structure de β-CuSCN et coupe transversale au microscope électronique à balayage (SEM) d’une cellule solaire complète (Crédit: M. Ibrahim Dar/EPFL)

Les chercheurs ont aussi découvert que l’instabilité des dispositifs en pérovskite vient de la dégradation du contact CuSCN/or pendant l’activité des cellules solaires.

« Il s’agit d’une percée majeure dans la recherche sur les cellules solaires en pérovskite, qui ouvrira la voie à un déploiement commercial à grande échelle de cette nouvelle et très prometteuse technologie photovoltaïque », dit Michael Grätzel. « Elle bénéficiera aux nombreux scientifiques du domaine qui ont cherché de manière intensive un matériau qui pourrait remplacer les transporteurs de trous organiques utilisés actuellement, dont le coût est prohibitif », ajoute M. Ibrahim Dar.


Legende image // Une photo à microscope électronique à balayage transversal d’une cellule solaire CuSCN complète présentant différentes couches (crédit: M. Grätzel / EPFL)

Contributeurs
Université de Tübingen, Allemagne
Financement
Greatcell Solar SA
EU Horizon 2020 (FET project GOTSolar and Graphene Flagship Core1)
Référence
Neha Arora, M. Ibrahim Dar, Alexander Hinderhofer, Norman Pellet, Frank Schreiber, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Michael Grätzel. Perovskite solar cells with CuSCN hole extraction layers yield stabilized efficiencies >20%. Science 28 September 2017. DOI: 10.1126/science.aam5655​
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