Les cellules solaires triplent leur durée de vie grâce à un nouveau revêtement

Bien que les cellules solaires en pérovskite soient plus efficaces et moins coûteuses que les cellules solaires traditionnelles en silicium, la pérovskite était jusqu’à présent limitée par son manque de stabilité à long terme. En règle générale, les cellules solaires en pérovskite utilisent une couche de revêtement à base d’ammonium pour améliorer leur efficacité. Bien qu’efficaces, les couches à base d’ammonium se dégradent sous l’effet des contraintes environnementales, telles que la chaleur et l’humidité.

Des scientifiques de l’Université de Northwestern (USA) ont mis au point un nouveau revêtement protecteur plus robuste, à base d’amidinium, qui prolonge considérablement la durée de vie des cellules solaires en pérovskite, ce qui les rend plus pratiques pour des applications en dehors du laboratoire.

Lors d’expériences, le nouveau revêtement s’est révélé dix fois plus résistant à la décomposition que les revêtements conventionnels à base d’ammonium. Mieux encore : les cellules recouvertes d’amidinium ont également triplé leur durée de vie T90, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que l’efficacité d’une cellule chute de 90 % par rapport à sa valeur initiale lorsqu’elle est exposée à des conditions difficiles.

« Cela fait longtemps que l’on travaille sur la stabilité des cellules solaires en pérovskite », explique Bin Chen, de Northwestern, qui a codirigé l’étude. « Jusqu’à présent, la plupart des rapports se concentrent sur l’amélioration de la stabilité du matériau pérovskite lui-même, sans tenir compte des couches protectrices. En améliorant la couche protectrice, nous avons pu accroître les performances globales des cellules solaires. »

« Ce travail s’attaque à l’un des principaux obstacles à l’adoption généralisée des cellules solaires en pérovskite : la stabilité dans des conditions réelles », a déclaré Mercouri Kanatzidis, de Northwestern, qui a codirigé l’étude. « En renforçant chimiquement les couches protectrices, nous avons considérablement amélioré la durabilité de ces cellules sans compromettre leur efficacité exceptionnelle, ce qui nous rapproche d’une alternative pratique et peu coûteuse aux cellules photovoltaïques à base de silicium. »

Utilisé depuis des décennies, le silicium est le matériau le plus couramment employé pour la couche absorbant la lumière dans les cellules solaires. Bien que le silicium soit durable et fiable, il est coûteux à produire et son efficacité approche de son plafond. À la recherche d’une cellule solaire moins coûteuse et plus efficace, les chercheurs ont récemment commencé à explorer les pérovskites, une famille de composés cristallins.

Bien qu’elle soit prometteuse en tant qu’alternative économique au silicium, la pérovskite a une durée de vie relativement courte. L’exposition prolongée à la lumière du soleil, les fluctuations extrêmes de température, l’humidité sont autant de facteurs qui entraînent la dégradation des cellules solaires en pérovskite au fil du temps.

Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont ajouté des ligands d’amidinium, des molécules stables qui peuvent interagir avec la pérovskite pour assurer une passivation des défauts et des effets protecteurs durables. Les molécules à base d’ammonium ont un atome d’azote entouré de trois atomes d’hydrogène et d’un groupe contenant du carbone, tandis que les molécules à base d’amidinium comprennent un atome de carbone central lié à deux groupes aminés. Comme leur structure permet aux électrons de se répartir uniformément, les molécules d’amidinium sont plus résistantes dans des conditions difficiles.

« Les cellules solaires pérovskites les plus modernes comportent généralement des ligands d’ammonium comme couche de passivation », explique M. Yang. « Mais l’ammonium a tendance à se décomposer sous l’effet du stress thermique. Nous avons fait de la chimie pour convertir l’ammonium instable en un amidinium plus stable ».

Les chercheurs ont effectué cette conversion par un processus connu sous le nom d’amidination, dans lequel le groupe ammonium est remplacé par un groupe amidinium plus stable. Cette innovation a permis d’éviter que les cellules de pérovskite ne se dégradent au fil du temps, en particulier lorsqu’elles sont exposées à une chaleur extrême.

La cellule solaire obtenue a atteint un rendement impressionnant de 26,3 %, ce qui signifie qu’elle a réussi à convertir 26,3 % de la lumière solaire absorbée en électricité. La cellule solaire revêtue a également conservé 90 % de son efficacité initiale après 1 100 heures d’essais dans des conditions difficiles, démontrant une durée de vie T90 trois fois plus longue qu’auparavant lorsqu’elle est exposée à la chaleur et à la lumière.

Ces expériences sont le dernier exemple en date de l’amélioration des performances des cellules solaires pérovskites dans le laboratoire Sargent. En 2022, l’équipe de M. Sargent a mis au point une cellule solaire en pérovskite qui a battu des records d’efficacité énergétique et de tension. En 2023, son équipe a présenté une cellule solaire en pérovskite à structure inversée, qui a également amélioré son efficacité énergétique. Au début de cette année, le groupe de M. Sargent a incorporé des cristaux liquides pour minimiser les défauts dans les films de pérovskite, ce qui a permis d’améliorer les performances de l’appareil.

« Les cellules solaires à base de pérovskite peuvent contribuer à la décarbonation de l’approvisionnement en électricité une fois que nous aurons finalisé leur conception, atteint l’union de la performance et de la durabilité, et mis à l’échelle les dispositifs », a déclaré M. Sargent, qui dirige l’Institut Paula M. Trienens pour la durabilité et l’énergie. « Le principal obstacle à la commercialisation des cellules solaires en pérovskite est leur stabilité à long terme. Mais en raison de son avance de plusieurs décennies, le silicium conserve un avantage dans certains domaines, notamment celui de la stabilité. Nous nous efforçons de combler cet écart. »

Cette recherche est directement liée au pilier Generate, l’un des six piliers de la décarbonation de l’Institut Trienens. Dans le cadre de ce pilier, Northwestern s’engage à créer une nouvelle classe de production d’énergie solaire en se concentrant sur les cellules solaires multijonctions à haut rendement et sur les matériaux de cellules solaires de la prochaine génération. M. Kanatzidis est coprésident de la faculté pour ce pilier et M. Chen en est le responsable de la mise en œuvre.

L’étude, intitulée « L’amidination de ligands pour la passivation chimique et à effet de champ stabilise les cellules solaires pérovskites », a été soutenue par First Solar, le ministère du commerce, l’Institut national des normes et de la technologie et le ministère américain de l’énergie.

Légende illustration : Yi Yang, premier auteur de l’étude, teste un échantillon de la nouvelle cellule solaire de l’équipe dans le laboratoire de l’université Northwestern. Crédit: Northwestern University

Article : ‘Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells’ / ( 10.1126/science.adr2091 ) – Northwestern University – Publication dans la revue Science