Les cellules solaires tandem pérovskite / silicium au seuil magique de 30% d’efficacité

Les cellules solaires composées de deux semi-conducteurs ayant des bandes interdites différentes peuvent atteindre des rendements considérablement plus élevés lorsqu’elles sont utilisées en tandem que les cellules individuelles seules. En effet, les cellules en tandem utilisent le spectre solaire de manière plus efficace. En particulier, les cellules solaires conventionnelles en silicium convertissent efficacement les composantes infrarouges de la lumière en énergie électrique, tandis que certains composés pérovskites peuvent utiliser efficacement les composantes visibles de la lumière solaire, ce qui en fait une combinaison puissante.

Au début de l’année 2020, une équipe dirigée par le professeur Steve Albrecht de la HZB a battu le précédent record mondial de cellules solaires tandem en pérovskite et en silicium (28,0 %, Oxford PV), établissant un nouveau record mondial de 29,15 %. Comparé au rendement le plus élevé certifié et publié scientifiquement (26,2 % en DOI : 10 1126/science.aba3433), il s’agit d’un pas de géant.

La nouvelle valeur a été certifiée par le Fraunhofer ISE et figure dans le tableau NREL. Les résultats ont maintenant été publiés dans la revue Science avec une explication détaillée du processus de fabrication et de la physique sous-jacente.

« Le rendement de 29,15 % est non seulement le record pour cette technologie, mais il se situe également en tête de toute la catégorie des systèmes photovoltaïques émergents dans le tableau NREL« , déclare Eike Köhnen, doctorante dans l’équipe d’Albrecht et premier auteur de l’étude. En outre, la nouvelle cellule tandem pérovskite/silicium se caractérise par une performance constante pendant plus de 300 heures sous exposition continue à l’air et à la lumière solaire simulée sans être protégée par encapsulation. L’équipe a utilisé une composition complexe de pérovskite avec une bande interdite de 1,68 eV et s’est concentrée sur l’optimisation de l’interface du substrat.

Avec des partenaires de Lituanie (le groupe du Prof. Vytautas Getautis), ils ont développé une couche intermédiaire de molécules organiques qui s’organisent de manière autonome en une monocouche auto-assemblée (SAM). Il s’agissait d’une nouvelle molécule à base de carbazole avec substitution du groupe méthyle (Me-4PACz). Cette SAM était appliquée sur l’électrode et facilitait le flux des porteurs de charge électrique. « Nous avons d’abord préparé le lit parfait, pour ainsi dire, sur lequel repose la pérovskite« , explique Amran Al-Ashouri, qui est également membre de l’équipe d’Albrecht et premier auteur de l’étude.

Les chercheurs ont ensuite utilisé une série de méthodes d’investigation complémentaires pour analyser les différents processus aux interfaces entre la pérovskite, la SAM et l’électrode : « Nous avons notamment optimisé ce que l’on appelle le facteur de remplissage, qui est influencé par le nombre de porteurs de charge perdus à la sortie de la cellule supérieure de la pérovskite« , explique M. Al-Ashouri. Alors que les électrons s’écoulent dans la direction de la lumière du soleil à travers la couche C60, les « trous » se déplacent dans la direction opposée à travers la couche SAM vers l’électrode. « Cependant, nous avons observé que l’extraction des trous est beaucoup plus lente que l’extraction des électrons, ce qui a limité le facteur de remplissage« , dit Al-Ashouri. Cependant, la nouvelle couche SAM a considérablement accéléré le transport des trous et contribue donc simultanément à améliorer la stabilité de la couche de pérovskite.

Grâce à une combinaison de spectroscopie de photoluminescence, de modélisation, de caractérisation électrique et de mesures de la conductivité du térahertz, il a été possible de distinguer les différents processus à l’interface du matériau pérovskite et de déterminer l’origine des pertes importantes.

« Chaque partenaire a apporté son expertise particulière au projet, ce qui nous a permis de réaliser cette avancée ensemble« , explique Albrecht. L’efficacité maximale possible est déjà à portée de main : les chercheurs ont analysé les deux cellules individuellement et ont calculé une efficacité maximale possible de 32,4% pour cette conception. « Nous pouvons certainement atteindre plus de 30%« , dit Albrecht.

De nombreux partenaires ont participé au projet, notamment l'université  de technologie de Kaunas en Lituanie, l'université de Potsdam,  l'université de Ljubljana en Slovénie, l'université de Sheffield au  Royaume-Uni, ainsi que la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB),  HTW Berlin et la Technische Universität Berlin, où Albrecht est  professeur adjoint. Les travaux sur les cellules individuelles de  pérovskite et de silicium ont eu lieu respectivement dans les  laboratoires HySPRINT et PVcomB de la HZB.