Les cellules solaires à pérovskite évitent la phase jaune et se dégradent plus lentement grâce à des additifs clés

Silvia Cernea Clark

Les pérovskites halogénées gagnent du terrain sur le silicium en tant que matériau critique pour les technologies de cellules solaires : une nouvelle étude publiée dans la revue Science rapporte une méthode pour rendre les photovoltaïques à base de pérovskite plus durables, permettant aux films d’atteindre la phase noire souhaitée de la configuration cristalline plus rapidement et à des températures plus basses, tout en rendant plus difficile la dégradation en phase jaune inactive.

Les pérovskites sont des matériaux pouvant être mis en solution et peuvent être facilement traités comme une solution ou déposés sous forme de vapeur. En mélangeant deux ingrédients clés dans la solution précurseur, Aditya Mohite, ingénieur chimiste à l’Université Rice, et ses collaborateurs ont développé des films cristallins de pérovskite qui conservent 98 % de leur efficacité initiale même après 1 200 heures d’exposition à un vieillissement accéléré à 90 °C (194 °F) sous condition de tension en circuit ouvert.

Les deux additifs utilisés étaient une pérovskite bidimensionnelle, qui servait de modèle pour guider la croissance cristalline, et du chlorure de formamidinium, une molécule de sel qui régule la cristallisation et a la taille optimale pour maintenir les liaisons atomiques dans le cristal dans la bonne configuration. Les deux additifs créent une contrainte de compression dans le réseau, entraînant la formation de la phase noire de la pérovskite et la stabilisant, tout en orientant la dégradation vers une phase plus difficile à former, améliorant ainsi considérablement la durabilité.

« Cette recherche a commencé par une question simple mais persistante : pouvons-nous vraiment fabriquer une cellule solaire extrêmement stable – une qui ne se dégrade jamais », a déclaré Rabindranath Garai, ancien boursier postdoctoral Fulbright-Nehru et actuel spécialiste en recherche à Rice, qui est premier auteur de l’étude. « Cette question est restée avec nous dans le laboratoire, surtout les jours où nos films noirs se sont lentement estompés dans la phase jaune indésirable après un certain temps. Il est devenu clair que si nous voulions une stabilité réelle, nous ne pouvions pas seulement étudier comment le matériau se forme, mais nous devions aussi comprendre comment il se décompose. »

Les cristaux d’iodure de plomb formamidinium sont constitués d’un échafaudage d’octaèdres d’iodure de plomb – des amas composés d’un atome central de plomb entouré de six atomes d’iode – séparés par de grands vides appelés « sites A ». Pour qu’une cellule solaire fonctionne bien, les octaèdres voisins dans un réseau tridimensionnel doivent se connecter par leurs coins plutôt que par leurs bords ou faces. Cette géométrie maintient les atomes alignés, de sorte que les électrons peuvent se déplacer librement à travers le matériau.

« Lorsqu’ils sont connectés de cette manière, le cristal est excellent pour absorber la lumière – tellement bon, en fait, qu’il semble noir, car toute la lumière qui le frappe est absorbée », a déclaré Isaac Metcalf, ancien doctorant de Rice et chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche Mohite, co-auteur de l’étude. « Nous appelons cela la phase noire de cristallisation, et c’est la seule qui soit utile comme cellule solaire. »

Pour maintenir la structure cristalline stable et l’empêcher de s’effondrer en versions plus compactes, les vides entre les octaèdres doivent être remplis. Les cations formamidinium, ions chargés positivement dérivés de la formamidine, sont bien adaptés à cette tâche, mais ils sont légèrement trop grands pour s’insérer facilement dans les sites A.

En raison de cette inadéquation, le cristal se réorganise souvent en une configuration compacte dans laquelle les octaèdres partagent des faces plutôt que des coins. Cet arrangement plie les liaisons atomiques hors de l’alignement idéal nécessaire au couplage électronique. En conséquence, au lieu d’absorber le spectre solaire complet, le matériau en réfléchit une grande partie – passant de la phase noire souhaitée à une phase jaune pâle qui ne fonctionne pas bien comme absorbeur solaire.

« À température ambiante, le cristal de pérovskite n’accueille pas les cations formamidinium et forme à la place une configuration plus compacte qui est terrible pour absorber la lumière », a déclaré Metcalf.

La méthode habituelle pour contourner ce problème consiste à chauffer un film en phase jaune jusqu’à environ 150 °C (300 °F), ce qui permet au réseau cristallin de se dilater suffisamment pour que les cations formamidinium glissent dans les sites A. Cependant, une fois refroidi à température ambiante, la structure a tendance à revenir à la phase jaune. Pour éviter cela, les chercheurs ont ajouté de petites quantités d’impuretés chimiques lors de la formation du film.

L’un des ingrédients clés utilisés était une pérovskite 2D, qui forme des feuilles d’octaèdres partageant des coins avec des vides internes ou sites A légèrement plus flexibles pouvant accueillir plus facilement les cations formamidinium. Lorsqu’elles sont mélangées dans la solution précurseur, ces feuilles agissent comme des modèles structurels qui guident la croissance cristalline.

« Vous pouvez imaginer avoir une grille de trous sur le sol, puis jeter une poignée de billes », a ajouté Metcalf. « S’il n’y a pas de grille, les billes iront partout. Avec la grille, elles se sépareront toutes dans les différents trous. »

Le chlorure de formamidinium était l’autre ingrédient clé : parce que le chlore forme des liaisons plus fortes avec le plomb que l’iode, il était meilleur pour permettre la géométrie de partage des coins nécessaire au transport efficace des charges. Cela offre un mécanisme de croissance par étapes, ce qui facilite une transition de phase énergétiquement favorable.

« Vous pouvez imaginer cela comme monter un escalier une marche à la fois avec contrôle et facilité plutôt que de dépenser un effort intense en sautant plusieurs marches d’un coup », a dit Garai. « L’effet collectif des deux additifs conduit à une cristallisation supérieure grâce à une voie de transition uniforme et progressive qui induit une contrainte de compression et offre une stabilité exceptionnelle. » L’une des découvertes surprenantes de l’étude est que le chlore fait plus que guider la cristallisation.

« Ici, nous avons montré que le chlore entre réellement dans le réseau, et ce faisant, il modifie la façon dont le matériau se dégrade », a déclaré Mohite.

Lorsque les films de pérovskite se décomposent, ils suivent généralement la voie chimique de plus basse énergie. L’incorporation de chlore force la dégradation à passer par une voie à énergie beaucoup plus élevée, ralentissant ainsi le processus.

« Contrairement à la voie de dégradation conventionnelle via la phase jaune, cette approche de co-additifs la contourne complètement et introduit une alternative, une voie énergétiquement ascendante », a précisé Garai.

Ensemble, les additifs améliorent non seulement chimiquement la stabilité des films photovoltaïques, mais aussi structurellement la taille et l’orientation des cristaux dans ces films, leur offrant de meilleures défenses contre l’humidité, la lumière et la chaleur : plus les cristaux sont grands, moins il y a de sites de surface pour qu’ils se dégradent. 

Nilanjana Nandi, spécialiste en recherche à Rice et co-auteur de l’étude, a déclaré que cette compréhension approfondie « des mécanismes fondamentaux de formation et de dégradation ouvre une nouvelle stratégie de conception pour développer des matériaux avec une durabilité pratique ». Nandi a particulièrement souligné le rôle critique des expériences de dégradation accélérée pour « découvrir les véritables mécanismes sous-jacents ».

« Nous pensons que cela aura un énorme impact en termes de stabilité de ces matériaux », a déclaré Mohite, professeur titulaire de la chaire William M. Rice Trustee, professeur de génie chimique et biomoléculaire et directeur académique de la Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability.

Mohite a souligné que les cellules solaires au silicium actuellement utilisées fonctionnent avec une efficacité de module d’environ 22-23 %, tandis que « les configurations dites tandem où les photovoltaïques à base de silicium et de pérovskite sont utilisées ensemble atteignent des efficacités allant jusqu’à 30-35 % ».

Outre l’exploitation de l’énergie solaire pour produire de l’électricité, les photovoltaïques peuvent également être utilisés pour alimenter des réactions chimiques, notamment pour produire des carburants alternatifs comme l’hydrogène.

Faiz Mandani, ancien doctorant de Rice et co-auteur de l’étude, a aidé à développer une unité de dégradation pour simuler l’exposition à la chaleur et à l’irradiance afin de tester comment les dispositifs construits à partir des nouveaux films de pérovskite se comporteraient.

« Auparavant, nous comptions sur une lampe et une plaque chauffante qui nous permettaient de tester un seul dispositif à la fois », a dit Mandani. « Avec notre nouvelle unité de dégradation, qui fournit une grande surface de chauffage uniforme et une source lumineuse, nous pouvons maintenant tester jusqu’à 100 dispositifs simultanément. Cela nous permet de générer des données statistiquement significatives et de mieux comprendre comment une population représentative de cellules solaires se dégrade au fil du temps. »

Le groupe Mohite à Rice est l’un des principaux centres d’expertise mondiaux sur les pérovskites pour le photovoltaïque. Mohite et son équipe ont noué des collaborations à travers les États-Unis et à l’étranger pour faire progresser la compréhension scientifique de cette classe de semi-conducteurs.

Jacky Even, collaborateur de longue date basé à l’Université de Rennes en France, a déclaré que travailler sur une « nouvelle famille de semi-conducteurs avec un grand potentiel pour des applications réelles » rend la recherche passionnante.

« La recherche scientifique est internationale par nature », a ajouté Even. « Nous devons distribuer les connaissances – cela fait partie de notre mission scientifique, et nous apprenons beaucoup en interagissant avec d’autres groupes de recherche. Nous avons eu la chance de collaborer avec le groupe Mohite à Rice au cours de la dernière décennie. »

Mohite crédite les collaborateurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, de Rennes, de l’Université de Lille, de l’Université de Cambridge et de l’Université Northwestern pour avoir créé un écosystème de recherche « où nous pouvons obtenir des résultats vraiment significatifs et révolutionnaires et faire progresser le domaine à pas de géant ».

Cette recherche a été soutenue par le Département de l’Énergie des États-Unis (DE-EE0010738), la Fondation éducative États-Unis-Inde (USIEF), la Fondation Hertz, la Fondation nationale pour la science des États-Unis (20587), la Fondation nationale suisse pour la science (P500PN_206693), l’Université de Lille et le Centre national de la recherche scientifique. Le contenu de ce communiqué de presse relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles des entités de financement.

Article : Bypassing the yellow phase for extremely stable formamidinium lead iodide perovskite solar cells – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude

Source : Rice U.