Des chercheurs de l’Université Soochow ont développé une cellule solaire tandem pérovskite/silicium atteignant un rendement de conversion d’énergie de 34,0 % en laboratoire. Un dispositif certifié de manière indépendante a affiché un rendement en régime permanent de 33,5 % et une tension de circuit ouvert de 2,014 V. Cette tension figure parmi les valeurs les plus élevées jamais rapportées pour cette classe de cellules solaires. L’étude a été publiée dans Science Bulletin.
Les cellules solaires tandem pérovskite/silicium combinent une cellule supérieure en pérovskite à large bande interdite avec une cellule inférieure en silicium afin d’exploiter la lumière du soleil plus efficacement que les cellules silicium classiques à jonction simple. Leurs performances restent toutefois limitées par une croissance irrégulière de la pérovskite sur le silicium texturé et par la recombinaison non radiative à l’interface avec la couche de transport de trous. De nombreuses stratégies de passivation antérieures ont réduit la recombinaison, mais ont également ralenti l’extraction des charges, créant un compromis difficile entre tension et transport de charges.
L’étude a été dirigée par le professeur Jiang Liu, la professeure Xiaohong Zhang et le docteur Hongbo Mo de l’Université Soochow, en collaboration avec le docteur Bo He de l’institut central de R&D de LONGi. Huimin Zhang et Qingshui Zheng ont contribué à parts égales en tant que premiers auteurs. L’équipe a inséré des nanoparticules monocliniques discrètes de zircone, connues sous le nom de ZrO2, entre l’oxyde conducteur transparent et une monocouche auto-assemblée. Cette modification a créé un échafaudage interfacial à l’échelle nanométrique sans former de couche isolante continue.
À l’interface enfouie, les nanoparticules de zircone remplissent deux fonctions simultanément. D’une part, elles modifient l’énergie de surface, aidant la solution de précurseur de pérovskite à s’étaler plus uniformément. Il en résulte des films plus denses, sans vides et à plus grands grains. D’autre part, les nanoparticules discrètes forment des contacts localisés à l’échelle nanométrique à l’interface. Les régions de zircone apportent une passivation par effet de champ qui supprime la recombinaison non radiative, tandis que les voies de monocouche exposées préservent une extraction efficace des trous. La constante diélectrique élevée de la zircone contribue également à écranter les fluctuations électriques locales, à limiter l’accumulation de charges et à réduire l’hystérésis du dispositif. La spectroscopie photoélectronique aux rayons X a confirmé la formation de liaisons Zr–O–P entre la zircone et les molécules de la monocouche. Conjugués aux liaisons entre la monocouche et l’oxyde conducteur, ces liens créent un réseau d’ancrage double qui améliore l’attachement moléculaire et l’uniformité du recouvrement.
La microscopie et la spectroscopie ont corroboré le mécanisme proposé à travers l’interface modifiée. La microscopie à force atomique conductive et les mesures par sonde de Kelvin ont révélé des distributions de courant et de potentiel de surface plus uniformes. Les mesures de photoluminescence résolue en temps ont montré que la durée de vie moyenne des porteurs passait de 1,46 à 2,81 μs après la modification combinée. La spectroscopie photoélectronique par ultraviolets a indiqué un meilleur alignement des niveaux d’énergie pour l’extraction des trous, tandis que les mesures d’impédance ont mis en évidence une recombinaison interfaciale réduite.
La cellule tandem championne a atteint un rendement de 34,0 % et une tension de circuit ouvert de 1,997 V. Sa densité de courant de court-circuit était de 20,36 mA cm-2, avec un facteur de remplissage de 83,62 %. La certification indépendante a confirmé une tension de circuit ouvert de 2,014 V et un rendement en régime permanent de 33,5 %.
Les tests de durabilité racontent une histoire similaire. Les dispositifs encapsulés ont fonctionné sous une illumination continue équivalente à un soleil, au point de puissance maximale et à température ambiante. Après 2 000 h, le dispositif modifié à la zircone conservait encore 84 % de son rendement initial.
Ces résultats montrent qu’une interface isolante finement structurée peut améliorer la croissance du film de pérovskite et supprimer la recombinaison sans entraver l’extraction des charges. Cette conception d’interface à l’échelle nanométrique offre une stratégie pratique pour développer des cellules solaires tandem pérovskite/silicium plus performantes et plus durables.
Journal : Science Bulletin – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Science China Press
