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L'astuce de la contrainte améliore l'efficacité des cellules solaires en pérovskite

L’astuce de la contrainte améliore l’efficacité des cellules solaires en pérovskite

par La rédaction
7 avril 2025
en Renouvelable, Solaire

L’énergie solaire est l’une des solutions les plus prometteuses pour réduire notre dépendance à l’égard des combustibles fossiles. Mais l’amélioration de l’efficacité des panneaux solaires est un défi permanent. Les cellules solaires à pérovskite (PSC) ont changé la donne, en offrant des améliorations rapides de l’efficacité et un potentiel de fabrication à faible coût. Cependant, elles souffrent encore de pertes d’énergie et de problèmes de stabilité opérationnelle.

Le défi des pérovskites à large bande passante

Les cellules solaires pérovskites, en particulier celles utilisées dans des configurations en tandem, reposent sur des matériaux à large bande interdite (WBG), c’est-à-dire des semi-conducteurs qui absorbent la lumière à haute énergie (« plus bleue ») tout en laissant passer la lumière à plus faible énergie (plus rouge), afin de maximiser l’efficacité. Toutefois, les formulations de pérovskite à large bande interdite souffrent souvent de ségrégation de phase, c’est-à-dire que les différents composants se séparent au fil du temps, ce qui entraîne une baisse des performances.

Une solution consiste à ajouter du rubidium (Rb) pour stabiliser les matériaux WBG, mais il y a un problème : Le Rb a tendance à former des phases secondaires indésirables, ce qui réduit son efficacité à stabiliser la structure de la pérovskite.

La solution de l’EPFL : la contrainte à la rescousse

Les scientifiques dirigés par Lukas Pfeifer et Likai Zheng dans le groupe de Michael Grätzel à l’EPFL ont maintenant trouvé un moyen de forcer le Rb à rester là où il est nécessaire. En utilisant la « déformation du réseau » du film de pérovskite, ils ont réussi à incorporer des ions Rb dans la structure, ce qui a empêché la ségrégation de phase indésirable. Cette nouvelle approche permet non seulement de stabiliser le matériau WBG, mais aussi d’améliorer son efficacité énergétique en minimisant la recombinaison non radiative, principale cause de la perte d’énergie.

Les chercheurs ont utilisé la déformation du réseau – une distorsion contrôlée de la structure atomique – pour maintenir le Rb enfermé dans le réseau de la pérovskite. Pour ce faire, ils ont affiné la composition chimique et ajusté avec précision le processus de chauffage et de refroidissement. Un chauffage rapide suivi d’un refroidissement contrôlé a induit une déformation, empêchant le Rb de former des phases secondaires indésirables et garantissant qu’il reste intégré dans la structure.

Vérifier et affiner l’approche

Pour confirmer et comprendre cet effet, l’équipe a utilisé la diffraction des rayons X pour analyser les changements structurels, la résonance magnétique nucléaire à l’état solide pour suivre le placement atomique du Rb et la modélisation informatique pour simuler la façon dont les atomes interagissent dans différentes conditions. Ces techniques ont permis d’obtenir une image détaillée de la manière dont la déformation stabilise l’incorporation du Rb.

Outre la déformation du réseau, les chercheurs ont également constaté que l’introduction d’ions chlorure est essentielle pour stabiliser le réseau en compensant les différences de taille entre les éléments incorporés. Cela garantit une distribution plus uniforme des ions, réduisant les défauts et améliorant la stabilité globale du matériau.

Le résultat ? Un matériau plus uniforme avec moins de défauts et une structure électronique plus stable. La nouvelle composition de pérovskite, renforcée par du Rb stabilisé par déformation, a atteint une tension en circuit ouvert de 1,30 V, soit une valeur impressionnante de 93,5 % de sa limite théorique. Cela représente l’une des pertes d’énergie les plus faibles jamais enregistrées dans les pérovskites WBG. En outre, le matériau modifié a montré un rendement quantique de photoluminescence (PLQY) amélioré, ce qui indique que la lumière du soleil est convertie plus efficacement en électricité.

Impact sur les énergies renouvelables

La réduction de la perte d’énergie dans les cellules solaires à pérovskite pourrait conduire à des panneaux solaires plus efficaces et plus rentables. Ceci est particulièrement important pour les cellules solaires tandem, où les pérovskites sont associées au silicium pour maximiser l’efficacité.

Ces résultats ont également des implications au-delà des panneaux solaires : les pérovskites sont étudiées pour les LEDs, les capteurs et d’autres applications optoélectroniques. En stabilisant les pérovskites WBG, la recherche de l’EPFL pourrait contribuer à accélérer la commercialisation de ces technologies.

Légende illustration : Cellules solaires pérovskites en laboratoire. Crédit : W. Tress (EPFL)

Article : « Strain-induced rubidium incorporation into wide-bandgap perovskites reduces photovoltage loss » – DOI : 10.1126/science.adt3417

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Tags: bande passanteperovskiterenouvelable
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Solar energy is one of the most promising solutions for reducing our dependence on fossil fuels. But making solar panels more efficient is a constant challenge. Perovskite solar cells (PSCs) have been a game-changer, offering rapid improvements in efficiency and potential for low-cost manufacturing. However, they still suffer from energy losses and operational stability issues.

The challenge with wide-bandgap perovskites

Perovskite solar cells, particularly those used in tandem configurations, rely on wide-bandgap (WBG) materials—semiconductors that absorb higher-energy ("bluer") light while letting lower-energy (redder) light pass through—to maximize efficiency. However, wide-bandgap perovskite formulations often suffer from phase segregation, where different components separate over time, which causes a decline in performance.

One solution is to add rubidium (Rb) to stabilize WBG materials, but there’s a catch: Rb tends to form unwanted secondary phases, which reduces its effectiveness in stabilizing the perovskite structure.

The EPFL solution: strain to the rescue

Scientists led by Lukas Pfeifer and Likai Zheng in the group of Michael Grätzel at EPFL have now found a way to force Rb to stay where it’s needed. By utilizing "lattice strain" of the perovskite film, they managed to incorporate Rb ions into the structure, which prevented the unwanted phase segregation. This novel approach not only stabilizes the WBG material but also improves its energy efficiency by minimizing non-radiative recombination—a key culprit in energy loss.

The researchers used lattice strain—a controlled distortion in the atomic structure—to keep Rb locked into the perovskite lattice. They did this by fine-tuning the chemical composition and precisely adjusting the heating and cooling process. Rapid heating followed by controlled cooling induced strain, preventing Rb from forming unwanted secondary phases and ensuring it stayed integrated within the structure.

Verifying and fine-tuning the approach

To confirm and understand this effect, the team used X-ray diffraction to analyze structural changes, solid-state nuclear magnetic resonance to track the atomic placement of Rb, and computational modeling to simulate how the atoms interact under different conditions. These techniques provided a detailed picture of how strain stabilized Rb incorporation.

Besides lattice strain, they also found that introducing chloride ions is key to stabilize the lattice by compensating for the size differences between the incorporated elements. This ensured a more uniform distribution of ions, reducing defects and improving overall material stability.

The result? A more uniform material with fewer defects and a more stable electronic structure. The new perovskite composition, enhanced with strain-stabilized Rb, achieved an open-circuit voltage of 1.30 V—an impressive 93.5% of its theoretical limit. This represents one of the lowest energy losses ever recorded in WBG perovskites. Moreover, the modified material showed improved photoluminescence quantum yield (PLQY), indicating that sunlight was being more efficiently converted into electricity.

Impact on renewable energy

Reducing energy loss in perovskite solar cells could lead to more efficient and cost-effective solar panels. This is especially important for tandem solar cells, where perovskites are paired with silicon to maximize efficiency.

The findings also have implications beyond solar panels—perovskites are being explored for LEDs, sensors, and other optoelectronic applications. By stabilizing WBG perovskites, the EPFL research could help accelerate the commercialization of these technologies.

Other contributors

  • EPFL Laboratory of Magnetic Resonance
  • EPFL X-Ray Diffraction and Surface Analytics Platform
  • EPFL Crystal Growth Facility
  • EPFL Laboratory of Computational Chemistry and Biochemistry
  • Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
  • National University of Singapore
  • Politecnico di Milano

Reference

Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, Bin Huang, Ummugulsum Gunes, Pascal Schouwink, David Wenhua Bi, Virginia Carnevali, Mounir Mensi, Francesco Biasoni, Yuxuan Zhang, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikolaos Lempesis, Michael A. Hope, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Lukas Pfeifer, Yimin Xuan, Michael Grätzel. Strain-induced rubidium incorporation into wide bandgap perovskites reduces photovoltage loss. Science 04 April 2025. DOI: 10.1126/science.adt3417

Journal

Science

DOI

10.1126/science.adt3417

Article Title

Strain-induced rubidium incorporation into wide-bandgap perovskites reduces photovoltage loss

Article Publication Date

4-Apr-2025

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