La lumière du soleil dévoile les faiblesses des cellules photovoltaïques

Les cellules solaires à pérovskite font l’objet d’une étude approfondie visant à améliorer leur stabilité en conditions réelles. Une recherche récente, financée par le Département de l’Énergie des États-Unis, apporte un nouvel éclairage sur les mécanismes de dégradation de ces dispositifs photovoltaïques prometteurs.

Une étude publiée dans la revue Science, s’est penchée sur les mécanismes de dégradation des cellules solaires à pérovskite (CSP) exposées à la lumière solaire non filtrée en extérieur, comparativement aux diodes électroluminescentes largement utilisées en laboratoire.

Les chercheurs ont découvert qu’un matériau polymère hybride spécial, synthétisé dans le cadre de l’étude et intégré à la cellule à pérovskite, contribue à maintenir un rendement élevé et améliore la stabilité face aux ultraviolets lors des tests en extérieur.

La durabilité des pérovskites en question

La majorité des tests sur les CSP sont réalisés dans l’environnement contrôlé d’un laboratoire, utilisant des diodes électroluminescentes comme sources lumineuses. Pour accélérer la commercialisation des CSP, des tests de performance en conditions réelles sont nécessaires afin de comprendre les mécanismes sous-jacents de dégradation liés à la lumière solaire et à la température.

Les conditions extérieures diffèrent de l’exposition à la lumière en intérieur ou du suivi du point de puissance maximale de plusieurs manières. La température, l’irradiance et l’intensité des rayons UV varient constamment en extérieur. Les couches minces de pérovskite peuvent se décomposer lorsqu’elles réagissent avec l’humidité et l’oxygène ou lorsqu’elles sont exposées de manière prolongée à la lumière, à la chaleur ou à une tension appliquée.

Une approche novatrice pour améliorer la stabilité

L’équipe a étudié le mécanisme de dégradation induit par les UV dans les CSP à structure p-i-n avec des matériaux de transport de trous (MTT) hybrides organiques. Ils ont développé une méthode pour réduire l’écart entre la durabilité en intérieur et en extérieur.

Dans les cellules solaires à pérovskite, un champ électrique sépare et dirige les paires électron-trou générées par la lumière solaire hors du matériau semi-conducteur absorbant pour produire de l’électricité. La couche de transport collecte et déplace les électrons ou les trous de la couche de pérovskite vers les électrodes, permettant ainsi le flux d’électricité.

Les chercheurs ont déterminé que la faible liaison chimique entre la couche de pérovskite, la couche de polymère MTT et la couche d’oxyde conducteur transparent (OCT) était le facteur dominant de la dégradation. Cela entraîne une dégradation des CSP sous la lumière solaire avec de fortes composantes UV.

En se concentrant sur la faible liaison chimique, les chercheurs ont démontré qu’un polymère synthétisé renforçait la liaison chimique dans la région pérovskite/MTT/OCT. Cette couche MTT hybride a été vérifiée de manière indépendante au centre PACT, et le module champion a démontré une période initiale où le rendement opérationnel a augmenté de quelques pour cent pour atteindre environ 16%. Après 29 semaines de tests en extérieur, le rendement opérationnel est resté supérieur à 16%.

Vers une nouvelle génération de pérovskites

En 2021, le Bureau des Technologies de l’Énergie Solaire (SETO) du Département de l’Énergie a établi le centre PACT ( .pdf ) pour initier des normes de test et d’évaluation afin d’évaluer et de valider les performances et les revendications de fiabilité pour la technologie PV à pérovskite en rapide évolution.

Laura Schelhas, chercheuse en chimie au NREL, directrice adjointe du PACT et responsable de l’équipe de fiabilité du PACT, a déclaré : «Nous pensons qu’il s’agit de la première démonstration publiée de performances en extérieur montrant des mini-modules à pérovskite d’une surface supérieure à 15 cm² qui ont maintenu un rendement d’ouverture mesuré supérieur à 16% après 29 semaines de tests en extérieur. La démonstration en conditions réelles est une étape cruciale vers la commercialisation, et nous espérons qu’en offrant ces capacités, le PACT permettra aux chercheurs et aux entreprises d’exploiter ces données pour améliorer la fiabilité.»

Légende illustration : Tim Silverman, scientifique principal, vérifie les connexions de câblage sur les minimodules PACT dans l’installation d’essai extérieure du NREL. Photo par Werner Slocum, NREL. Les cellules solaires pérovskites (PSC) sont des cellules solaires photovoltaïques (PV) prometteuses de la prochaine génération, avec des performances élevées et des coûts de production faibles par rapport au silicium. Toutefois, la stabilité et la durabilité constituent l’un des principaux obstacles à l’adoption généralisée des PSC. Photo de Werner Slocum, NREL.

Artice intitulé :«Strong-Bonding Hole-Transport Layers Reduce Ultraviolet Degradation of Perovskite Solar Cells» – 10.1126/science.adi4531