L’instabilité thermique des cellules solaires offre une perspective pour l’avenir

Un nouveau type de technologie solaire semble prometteur depuis quelques années. Les cellules solaires à base d’halogénure de pérovskite sont à la fois très performantes et peu coûteuses pour produire de l’énergie électrique – deux ingrédients nécessaires au succès de toute technologie solaire du futur. Mais les nouveaux matériaux des cellules solaires doivent également égaler la stabilité des cellules solaires à base de silicium, qui affichent une fiabilité de plus de 25 ans.

Dans une recherche récemment publiée, une équipe dirigée par Juan-Pablo Correa-Baena, professeur adjoint à l’école de sciences et d’ingénierie des matériaux de Georgia Tech, montre que les cellules solaires en pérovskite d’halogénure sont moins stables qu’on ne le pensait. Leurs travaux révèlent l’instabilité thermique qui se produit dans les couches d’interface des cellules, mais offrent également une voie vers la fiabilité et l’efficacité de la technologie solaire à base d’halogénure de perovskite. Leur recherche, publiée en couverture de la revue Advanced Materials en décembre 2022, a des implications immédiates pour les universitaires et les professionnels de l’industrie qui travaillent avec des pérovskites dans le domaine photovoltaïque, un domaine qui s’intéresse aux courants électriques générés par la lumière du soleil.

Les cellules solaires en pérovskite d’halogénure de plomb promettent une conversion supérieure de la lumière solaire en énergie électrique. Actuellement, la stratégie la plus courante pour obtenir une efficacité de conversion élevée de ces cellules consiste à traiter leurs surfaces avec de grands ions chargés positivement, appelés cations.

Ces cations sont trop gros pour s’insérer dans le réseau à l’échelle atomique de la pérovskite et, lorsqu’ils atterrissent sur le cristal de pérovskite, ils modifient la structure du matériau à l’interface où ils sont déposés. Les défauts à l’échelle atomique qui en résultent limitent l’efficacité de l’extraction du courant de la cellule solaire. Malgré la connaissance de ces changements structurels, les recherches sur la stabilité des cations après le dépôt sont limitées, ce qui laisse une lacune dans la compréhension d’un processus qui pourrait avoir un impact sur la viabilité à long terme des cellules solaires en pérovskite halogénée.

Notre préoccupation était que, pendant les longues périodes de fonctionnement des cellules solaires, la reconstruction des interfaces se poursuivrait », a déclaré Correa-Baena. « Nous avons donc cherché à comprendre et à démontrer comment ce processus se déroule dans le temps.« 

Pour réaliser l’expérience, l’équipe a créé un échantillon de dispositif solaire utilisant des films de pérovskite typiques. Le dispositif comporte huit cellules solaires indépendantes, ce qui permet aux chercheurs d’expérimenter et de générer des données en fonction des performances de chaque cellule. Ils ont étudié les performances des cellules, avec et sans traitement de surface par cation, et ont étudié les interfaces modifiées par cation de chaque cellule avant et après un stress thermique prolongé à l’aide de techniques de caractérisation par rayons X basées sur le synchrotron.

Dans un premier temps, les chercheurs ont exposé les échantillons prétraités à 100 degrés Celsius pendant 40 minutes, puis ont mesuré les changements de leur composition chimique à l’aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X. Ils ont également utilisé un autre type de technologie à rayons X pour étudier précisément le type de structures cristallines qui se forment à la surface du film. En combinant les informations fournies par les deux outils, les chercheurs ont pu visualiser comment les cations diffusent dans le réseau et comment la structure de l’interface change lorsqu’elle est exposée à la chaleur.

Ensuite, pour comprendre comment les changements structurels induits par les cations influent sur les performances des cellules solaires, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de corrélation par excitation en collaboration avec Carlos Silva, professeur de physique et de chimie à Georgia Tech. Cette technique consiste à exposer les échantillons de cellules solaires à des impulsions lumineuses très rapides et à détecter l’intensité de la lumière émise par le film après chaque impulsion pour comprendre comment l’énergie de la lumière est perdue. Ces mesures permettent aux chercheurs de comprendre quels types de défauts de surface nuisent aux performances.

Enfin, l’équipe a corrélé les changements de structure et de propriétés optoélectroniques avec les différences d’efficacité des cellules solaires. Ils ont également étudié les changements induits par des températures élevées dans deux des cations les plus utilisés et observé les différences de dynamique à leurs interfaces.

« Notre travail a révélé qu’il existe une instabilité relative introduite par le traitement avec certains cations« , a déclaré Carlo Perini, chercheur dans le laboratoire de Correa-Baena et premier auteur de l’article. « Mais la bonne nouvelle est qu’avec une ingénierie appropriée de la couche d’interface, nous verrons une stabilité accrue de cette technologie à l’avenir.« 

Les chercheurs ont appris que la structure et la composition des surfaces des films de pérovskite aux halogénures métalliques traités avec des cations organiques évoluent constamment sous l’effet d’une contrainte thermique. Ils ont constaté que les changements à l’échelle atomique qui en résultent à l’interface peuvent entraîner une perte significative de l’efficacité de conversion de l’énergie dans les cellules solaires. En outre, ils ont constaté que la vitesse de ces changements dépend du type de cations utilisés, ce qui suggère que des interfaces stables pourraient être à portée de main avec une ingénierie adéquate des molécules.

« Nous espérons que ces travaux inciteront les chercheurs à tester ces interfaces à haute température et à chercher des solutions au problème de l’instabilité« , a déclaré M. Correa-Baena. « Ces travaux devraient orienter les scientifiques dans la bonne direction, vers un domaine où ils pourront se concentrer afin de construire des technologies solaires plus efficaces et plus stables.« 

CITATION : Perini, C. A. R., Rojas-Gatjens, E., Ravello, M., Castro-Mendez, A., Hidalgo, J., An, Y., Kim, S., Lai, B., Li, R., Silva-Acuña, C., Correa-Baena, J.-P., Interface Reconstruction from Ruddlesden-Popper Structures Impacts Stability in Lead Halide Perovskite Solar Cells. Adv. Mater. 2022, 34, 2204726.

DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202204726

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