Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) ont réalisé une percée majeure dans la production de cellules solaires à pérovskite. Ils ont développé une recette de co-évaporation multi-source qui améliore nettement la qualité cristalline des films de pérovskite déposés sous vide. Cette avancée rapproche toutes les cellules à pérovskite à jonction unique déposées sous vide ainsi que les cellules solaires tandem pérovskite sur silicium d’une production à grande échelle.
Les cellules solaires à pérovskite ont rapidement augmenté leur efficacité ces dernières années et suscitent un vif intérêt comme voie vers une électricité renouvelable à bas coût. Les pérovskites les plus performantes aujourd’hui sont souvent fabriquées à partir d’encres en solution, tandis que de nombreux produits industriels en couche mince (des écrans OLED aux revêtements optiques) sont produits par dépôt sous vide – un procédé propre, sans solvant, qui peut recouvrir de grandes surfaces de manière très uniforme. Cependant, lorsque les pérovskites sont entièrement fabriquées par dépôt sous vide, les cristaux peuvent se former de manière non optimale, rendant les films plus sujets aux défauts et nettement instables.
L’étude est une collaboration entre l’équipe de recherche de HKUST dirigée par Prof. LIN Yen-Hung, Assistant Professor dans le Département de génie électronique et informatique (ECE) et le State Key Laboratory of Displays and Opto-Electronics (SKLDOE), et l’équipe de l’Université d’Oxford dirigée par le Prof. Henry Snaith du Département de physique. Le premier auteur, Dr. SHEN Xinyi, chercheur postdoctoral du Département ECE de HKUST, et les membres de l’équipe ont découvert qu’introduire une co-source de chlorure de plomb (PbCl2) pendant la co-évaporation thermique peut orienter efficacement la croissance des cristaux de pérovskite. Cette approche produit une pérovskite à large bande interdite (1,67 eV) hautement ordonnée, avec de nombreux grains alignés dans une orientation (100) face vers le haut, caractéristique d’un film plus cristallin qui résiste mieux à la dégradation induite par la lumière et la chaleur, ce qui améliore les propriétés optoélectroniques et la stabilité sous contraintes lumineuses et thermiques.
En utilisant cette recette de dépôt nouvellement développée, l’équipe a obtenu la première performance certifiée pour une cellule solaire à pérovskite entièrement déposée sous vide à large bande interdite, atteignant un rendement de conversion de puissance suivi au point de puissance maximale de 18,35 % sur un dispositif de 0,25 cm2. En laboratoire, les cellules ont atteint un rendement de 19,3 % et ont fourni 18,5 % sur la taille de cellule plus difficile de 1 cm2.
Pour tester la durabilité, l’équipe a suivi le protocole de l’International Summit on Organic Photovoltaic Stability (ISOS). Sous le test de vieillissement accéléré ISOS-L-2 strict : illumination équivalente à 1 soleil en spectre complet sans filtre ultraviolet, à 75 ± 5 °C à l’air libre, en circuit ouvert, les cellules encapsulées ont conservé 80 % de leur performance de pointe après 1 080 heures.
« Notre travail s’attaque au problème fondamental de science des matériaux qui a freiné les pérovskites déposées sous vide », explique le Dr. Shen. « En concevant le procédé d’évaporation pour contrôler l’orientation des cristaux, nous avons obtenu une stabilité thermique et photostabilité prolongée équivalente à celle des homologues traités en solution de pointe, mais avec tous les avantages inhérents à une technique sèche sous vide compatible avec l’industrie. »
Pour observer ce qui se passait à l’intérieur des dispositifs en fonctionnement, l’équipe a utilisé l’imagerie hyperspectrale operando, une caméra spectrale avancée qui cartographie les signaux optiques à travers une cellule solaire en fonctionnement, pixel par pixel. Cette capacité a été développée à HKUST avec le soutien de l’Equipment Fund du bureau du Vice-Président pour la recherche et le développement.
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Le Prof. Lin a souligné : « En tirant parti de l’imagerie hyperspectrale operando, nous avons obtenu des informations spatio-temporelles sans précédent sur la physique des dispositifs et révélé les facteurs régissant la durée de vie prolongée des dispositifs. Nous avons visualisé et distingué les processus de ségrégation des halogénures et de recombination médiée par les pièges à l’échelle microscopique, liant directement ces caractéristiques aux performances macroscopiques des dispositifs. »
Cette analyse a également différencié la recombination radiative bénéfique des voies non idéales préjudiciables, fournissant un outil de diagnostic puissant pour l’optimisation future.
Les couches de pérovskite déposées sous vide de haute qualité sont particulièrement précieuses pour les cellules solaires tandem, où une cellule supérieure en pérovskite est empilée sur une cellule inférieure en silicium pour capter davantage du spectre solaire. En utilisant leurs films améliorés, l’équipe a réalisé un revêtement conforme sur des cellules à hétérojonction en silicium de norme industrielle avec une texture à l’échelle micronique, produisant des cellules solaires tandem pérovskite sur silicium de 1 cm2 avec un rendement de 27,2 %. Lors d’un essai en extérieur en Italie, leurs cellules tandem entièrement déposées sous vide ont conservé environ 80 % de leurs performances initiales après 8 mois de fonctionnement réel, soulignant les progrès vers des tandems pérovskite sur silicium stables.
« Cette méthode de co-évaporation est directement compatible avec l’infrastructure industrielle existante pour le dépôt de couches minces », insiste le Prof. Lin. « Elle transforme le dépôt sous vide d’une alternative compromise en un favori pour produire des cellules solaires à pérovskite et des cellules tandem stables et performantes, offrant une voie claire du laboratoire à l’usine. »
Article : Crystal-facet-directed all-vacuum-deposited perovskite solar cells – Journal : Nature Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : HKUST
