De belles perspectives pour les cellules solaires à pérovskite à l’étain

Antonia Rötger

Les cellules solaires à pérovskite sont largement considérées comme la technologie photovoltaïque de nouvelle génération. Cependant, elles ne sont pas encore assez stables à long terme pour une utilisation commerciale généralisée. L’une des raisons en est la migration des ions, qui provoque la dégradation du matériau semi-conducteur au fil du temps. Une équipe du HZB et de l’Université de Potsdam a maintenant étudié la densité ionique dans quatre composés de pérovskite différents et largement utilisés, et a découvert des différences significatives. Les semi-conducteurs de pérovskite à l’étain produits avec un solvant alternatif présentaient une densité ionique particulièrement faible — seulement un dixième de celle des semi-conducteurs de pérovskite au plomb. Cela suggère que les pérovskites à base d’étain pourraient être utilisées pour fabriquer des cellules solaires non seulement très écologiques, mais aussi très stables.

Depuis plus de dix ans, les chercheurs du monde entier étudient les semi-conducteurs organométalliques à pérovskite pour une utilisation dans le photovoltaïque. Leurs recherches se sont principalement concentrées sur les cellules solaires à pérovskite contenant du plomb comme cation B dans la structure ABX₃ de la pérovskite. Grâce à leurs efforts, le rendement des cellules solaires à pérovskite à base de plomb est passé de 4 % à plus de 27 % aujourd’hui.  Cependant, ces matériaux présentent encore quelques problèmes. Ce n’est pas seulement le plomb, métal lourd problématique, qui est toxique ; le matériau semi-conducteur manque également de stabilité à long terme.

Les pérovskites à l’étain – un sujet négligé

Le plomb dans la structure peut être remplacé par de l’étain, un élément non toxique. Bien que les cellules solaires à pérovskite à base d’étain aient actuellement un rendement nettement inférieur à celui des cellules à base de plomb, cela peut être dû au fait que la recherche sur les pérovskites à l’étain n’en est qu’à ses débuts, explique le Dr Artem Musiienko, chef d’un groupe de recherche au HZB, qui souligne : « En termes purement théoriques, les cellules solaires à pérovskite à base d’étain pourraient même dépasser le rendement des pérovskites à base de plomb. »

Une nouvelle étude fournit un argument convaincant pour accorder plus d’attention aux pérovskites à base d’étain. L’une des principales raisons de la stabilité insuffisante des cellules solaires à pérovskite à ce jour est la présence d’ions halogénures mobiles dans le matériau. À mesure que les ions halogénures migrent, le matériau se dégrade et le rendement de la cellule solaire diminue avec le temps.

Ions mobiles dans les pérovskites

L’équipe de Musiienko a maintenant étudié ce phénomène en collaboration avec le groupe d’Antonio Abate (HZB) et le groupe de Felix Lang (Université de Potsdam). Ils ont examiné quatre des compositions de pérovskite les plus pertinentes et ont mesuré quantitativement la densité ionique et la migration des ions dans le matériau.

« Nous avons découvert non seulement que les pérovskites à base d’étain ont une concentration plus faible d’ions mobiles, mais aussi qu’elles présentent intrinsèquement un temps de dégradation cinq fois plus lent que celui des pérovskites à base de plomb », révèle Musiienko. Les matériaux de pérovskite à l’étain ont été produits dans le laboratoire Hysprint du HZB. L’une des pérovskites à l’étain a été synthétisée à l’aide d’un solvant diméthylsulfoxyde (DSMO) et l’autre à l’aide d’un solvant alternatif DMF-DMI. L’approche de variation des solvants a été utilisée pour démontrer une voie permettant d’éviter l’oxydation de l’étain due à une forte coordination du DMSO, comme cela a été montré précédemment dans plusieurs études [Chemistry of Materials (2022)].

D’énormes différences de densité ionique

En fait, ils ont découvert que la pérovskite à base de plomb présentait la plus grande densité ionique. Cette densité était légèrement plus faible dans le mélange plomb-étain et la pérovskite à l’étain. Une grande surprise est venue de l’échantillon de pérovskite à l’étain qui avait été produit en utilisant le solvant alternatif : « C’était vraiment inattendu : ces cellules solaires FASnI₃ ont dix fois moins d’ions mobiles que les cellules solaires à base de Pb. Nous avons également constaté qu’elles présentaient une excellente stabilité pendant le fonctionnement pendant plus de 600 heures », précise Shengnan Zuo, doctorante dans l’équipe de Musiienko.

Un argument convaincant pour les pérovskites à l’étain

« Nous sommes convaincus que les pérovskites à base d’étain ont un potentiel énorme et que l’étude de ces matériaux est une très bonne idée. Il y a des chances d’augmenter considérablement leur efficacité et leur stabilité. Cette étude ouvre la voie au développement de cellules solaires à couches minces innovantes et stables avec une migration ionique supprimée », affirme Musiienko.

Article : Minimizing Ionic Losses in DMSO-Free Tin-Based Perovskite Solar Cells – Journal : ACS Energy Letters – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1021/acsenergylett.5c02675