L’innovation chimique pour des cellules pérovskites plus performante

Publiant dans la revue Science, des chercheurs de l’ EPFL ont résolu un problème contraignant avec la stabilisation de la formulation la plus performante de films de pérovskite aux halogénures métalliques, un élément majeur utilisé dans de nombreuses applications, notamment les cellules photovoltaïques.

Les pérovskites appartiennent à une classe de matériaux composés de matières organiques associées à un métal. De par leur structure et leurs propriétés intéressantes, les pérovskites sont en première ligne dans la recherche de matériaux, où elles sont étudiées pour une utilisation dans un large champ d’applications. Très prisées, les pérovskites aux halogénures métalliques sont envisagées pour une utilisation dans les cellules photovoltaïques, les éclairages à LED, les lasers et les photodétecteurs.

À titre d’exemple, le rendement de conversion de puissance des cellules photovoltaïques à pérovskites est passé de 3,8 % à 25,5 % en seulement 10 ans, dépassant celui des autres cellules photovoltaïques en couches minces y compris celles en silicium polycristallin qui est le principal matériau du marché.

On fabrique généralement les pérovskites en mélangeant et en déposant par couches divers matériaux sur un substrat conducteur transparent, ce qui produit des films légers et minces. Ce processus, appelé «déposition chimique», est durable et relativement économique.

Mais un problème se pose. Depuis 2014, on fabrique les pérovskites aux halogénures métalliques en mélangeant des cations et des halogénures avec du formamidinium. (FAPbI3). Cela tient au fait que cette formulation permet un rendement de conversion de puissance élevé dans les cellules photovoltaïques à pérovskites. Mais parallèlement, la phase la plus stable du FAPbI3 est photo-inactive, autrement dit elle ne réagit pas à la lumière, ce qui va à l’encontre du rôle d’un collecteur solaire. De plus, les cellules photovoltaïques constituées de FAPbI3 présentent des problèmes de stabilité à long terme.

Aujourd’hui, sous la direction de Michael Grätzel et d’Anders Hafgeldt, des chercheurs à l’EPFL ont développé une méthode de dépôt qui élimine les problèmes liés au formamidinium tout en conservant la conversion élevée des cellules photovoltaïques à pérovskites. Les travaux ont été publiés dans la revue scientifique Science.

Dans la nouvelle méthode, les matériaux sont d’abord traités par une vapeur de méthylammonium thiocyanate (MASCN) ou de formamidinium thiocyanate (FASCN). Cette innovation transforme les films de pérovskite FAPbI3 photo-inactifs en films photosensibles.

Les scientifiques ont utilisé les nouveaux films FAPbI3 pour fabriquer des cellules photovoltaïques à pérovskites. Les cellules ont affiché un rendement de conversion de puissance de plus de 23 % et une stabilité opérationnelle et thermique à long terme. Elles présentaient également une faible perte de tension en circuit ouvert (330 mV) et une faible tension d’alimentation d’électroluminescence (0,75 V).

Le laboratoire du professeur Michael Grätzel et le laboratoire du professeur Anders Hgfeldt font partie de l’Institut des sciences et ingénierie chimiques (ISIC) de l’EPFL, au cœur de la Faculté des sciences de base.

Auteur: Nik Papageorgiou

Autres collaborateurs
Laboratory of Computational Chemistry and Biochemistry de l’EPFL
Laboratory of Magnetic Resonance de l’EPFL
Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF)
Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
Université de Fudan

Financement
Fondation nationale des sciences naturelles de Chine
Fondation de la science postdoctorale de Chine
Shanghai Institute of Intelligent Electronics and Systems
Office fédéral de l’énergie (OFEN)
Fonds national suisse de la recherche scientifique (NCCR:MUST)
Programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne
King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST)

Références
Haizhou Lu, Yuhang Liu, Paramvir Ahlawat, Aditya Mishra, Wolfgang R. Tress, Felix T. Eickemeyer, Yingguo Yang, Fan Fu, Zaiwei Wang, Claudia E. Avalos, Brian I. Carlsen, Anand Agarwalla, Xin Zhang, Xiaoguo Li, Yiqiang Zhan, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Roethlisberger, Lirong Zheng, Anders Hagfeldt, Michael Graetzel. Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells. Science 369, eabb8985, 2 October 2020.