Les semiconducteurs en pérovskite convertissent efficacement la lumière solaire en énergie électrique ; ils sont également peu coûteux et extrêmement légers. Une équipe du HZB a développé une cellule solaire à triple jonction composée de différents semiconducteurs en pérovskite, avec une bicouche novatrice d’oxyde de graphène (GO) et une monocouche auto-assemblée (SAM) comme conducteur de trous. Cette bicouche augmente significativement à la fois l’efficacité et la stabilité à long terme. L’efficacité de la nouvelle cellule solaire à triple jonction en pérovskite est de 27,3 % et ne montre presque aucune baisse après plus de 770 heures de fonctionnement. L’étude a été publiée dans la revue renommée Joule.
Les cellules photovoltaïques à base de pérovskite peuvent atteindre des rendements de conversion de puissance (PCE) élevés. La combinaison de deux ou plusieurs semiconducteurs en pérovskite différents avec des bandes interdites différentes dans une cellule solaire multi-jonction permet d’exploiter le spectre solaire encore plus efficacement, augmentant ainsi l’efficacité. Les cellules solaires multi-jonctions entièrement en pérovskite offrent potentiellement des coûts de fabrication très bas, un poids léger et la possibilité de les monter sur des substrats flexibles.
L’équipe du HZB a utilisé trois absorbeurs en pérovskite différents avec des bandes interdites différentes. Leur empilement crée une cellule solaire monolithique à triple jonction en pérovskite très complexe. L’objectif principal des travaux était la couche intermédiaire entre les sous-cellules en pérovskite du milieu et de l’arrière. « Vous pouvez l’imaginer comme un Big Mac, où les trois pains sont séparés par différentes garnitures comme la viande, la salade ou le fromage. Ici, ce serait la garniture entre les pains du milieu et du bas », explique le Prof. Dr Steve Albrecht, responsable du département des cellules solaires tandem en pérovskite au HZB.
La couche absorbante arrière est constituée d’un semi-conducteur en pérovskite à base d’étain-plomb avec une faible bande interdite. L’interaction entre cette couche de pérovskite et la couche de transport de trous est considérée comme le facteur le plus important pour améliorer l’efficacité et la stabilité. Habituellement, le polymère PEDOT:PSS est utilisé comme couche de transport de trous ; cependant, cela entraîne des pertes dues aux processus d’absorption, et le PCE se dégrade rapidement.
« Nous avons ensuite systématiquement étudié l’influence de diverses couches conductrices de trous sur les propriétés des pérovskites à étain-plomb, et donc aussi sur les nouvelles cellules solaires à triple jonction », déclare le Dr Philipp Tockhorn, chef de groupe au HZB.
« Nous avions déjà établi avec succès les monocouches auto-assemblées (SAM) comme couches de contact conductrices de trous dans les cellules solaires en pérovskite à base de plomb, il était donc logique de les utiliser également dans les pérovskites à étain-plomb et les triple jonctions », ajoute Kevin Prince, co-premier auteur de l’étude et postdoctorant au HZB. Les SAM sont constitués de grandes molécules organiques qui s’organisent spontanément en une monocouche. Cependant, les SAM seules ne fonctionnent pas très bien dans ces pérovskites à étain-plomb, car le transport des charges de trous est inefficace.
« Nous avons donc expérimenté avec des couches supplémentaires sous la couche SAM pour agir comme une sorte de substrat », explique Yeonghun Yun, co-premier auteur et postdoctorant dans l’équipe. Finalement, ils ont découvert qu’une couche d’oxyde de graphène (GO) sous la couche SAM améliore l’interface à la fois morphologiquement et électroniquement, permettant ainsi un transport de charges plus efficace.
L’équipe a intégré la bicouche GO/SAM dans une cellule solaire à triple jonction en pérovskite à la place d’une couche PEDOT:PSS conventionnelle. Cela a considérablement réduit les pertes optiques.
« Nous avons atteint une efficacité de 27,3 % avec les cellules solaires à triple jonction, ce qui est l’une des valeurs les plus élevées pour cette technologie », déclare Albrecht. De plus, les cellules solaires à triple jonction avec GO/SAM ont également prouvé leur valeur en fonctionnement continu, conservant plus de 90 % de leur efficacité d’origine après 770 heures, établissant un nouveau record de stabilité pour cette architecture de cellule solaire. « Nos analyses suggèrent qu’avec des améliorations de la qualité des couches individuelles de pérovskite et des films intermédiaires, l’efficacité de cette architecture pourrait être augmentée à plus de 30 % », déclare Albrecht.
Article : Triple-junction all-perovskite solar cells with self-assembling hole contacts in all subcells – Journal : Joule – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : HZB
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