Une stratégie axée sur l’interface améliore l’efficacité et la stabilité des cellules solaires tandem pérovskite/silicium.
L’amélioration des interfaces au sein des cellules solaires tandem pérovskite/silicium est une stratégie qui peut booster les performances solaires et améliorer la stabilité. Ces étapes clés sont importantes pour rapprocher les technologies solaires avancées de la viabilité commerciale et ont désormais été développées par une équipe internationale de chercheurs de l’Institut Fraunhofer en Allemagne et de KAUST.
Le silicium domine l’industrie des cellules solaires en raison de sa stabilité et de sa fiabilité. Les pérovskites constituent une alternative moins coûteuse et plus accessible pour le traitement, présentant des propriétés électroniques et d’absorption de la lumière exceptionnelles qui ont conduit au développement de dispositifs à haut rendement. Leur composition peut également être ajustée pour permettre l’absorption de la lumière dans la gamme de longueurs d’onde du vert au bleu, une partie de la lumière solaire qui ne peut être absorbée par le silicium.
La combinaison de ces matériaux complémentaires dans des dispositifs multicouches empilés, appelés cellules solaires tandem, permet de tirer le meilleur parti des deux technologies. Les cellules solaires tandem, qui comprennent un film ultrafin de pérovskite au-dessus d’une cellule solaire en silicium traditionnelle, devraient mieux capter et convertir la lumière du soleil en électricité que leurs sous-cellules seules. Elles sont également plus rentables, car elles exploitent la technologie du silicium, qui est mature sur le plan industriel.
Les progrès récents, tels que la maximisation de l’absorption de la lumière et la cristallisation en vrac de la pérovskite, ont permis de porter le rendement de conversion énergétique des cellules solaires tandem à plus de 29,4 %, soit le maximum théorique pour les dispositifs en silicium. Cependant, les défis liés à l’interface limitent encore les performances des cellules.
Lorsque la lumière du soleil frappe le film de pérovskite, elle crée des paires d’électrons et de trous chargés positivement. En cas de défauts, ces paires ont tendance à se recombiner à l’interface entre la pérovskite et la couche de transport d’électrons, qui se compose généralement de l’accepteur d’électrons C60, avant de générer de l’électricité.
Ce processus de recombinaison interfaciale réduit la tension de fonctionnement maximale, ou tension en circuit ouvert, et les performances électriques des cellules tandem. Un décalage de la bande de conduction entre la pérovskite et le C60 appauvrit davantage les électrons à l’interface, renforçant ainsi la recombinaison.
Plusieurs méthodes peuvent aider à résoudre ces problèmes d’interface, mais elles sont inefficaces pour les cellules tandem utilisant des cellules inférieures en silicium texturé standard avec de grandes pyramides à leur surface.
Aujourd’hui, une équipe dirigée par Stefan Glunz de l’Institut Fraunhofer et Stefaan De Wolf de la KAUST a mis au point une approche de passivation visant à réduire ou à éliminer les défauts, compatible avec ces substrats en silicium entièrement texturés. Cette approche repose sur l’ingénierie de la fonction de travail et utilise du dihydroiodure de 1,3-diaminopropane comme matériau intercouche à l’interface pérovskite/C60 de la cellule tandem.
Les chercheurs ont produit un film de pérovskite riche en composés organiques qui s’adapte au substrat texturé grâce à une méthode d’évaporation/revêtement par centrifugation en deux étapes. Ils l’ont traité avec le matériau intercouche avant de terminer la cellule tandem.
Le matériau intercouche se compose de deux groupes fonctionnels iodure d’ammonium reliés par un lien hydrocarboné flexible. Sa structure lui permet de se lier de manière asymétrique à la surface de la pérovskite. Cela génère un fort moment dipolaire positif qui interagit préférentiellement avec la surface riche en composés organiques, augmentant ainsi le travail de sortie, c’est-à-dire l’énergie minimale requise pour l’extraction des électrons.
Au-delà de la passivation conventionnelle, le matériau intercouche module l’électrostatique de surface en modifiant le travail de sortie. Ce décalage réduit le décalage de la bande de conduction, permettant aux électrons de s’accumuler à l’interface. « Cela supprime la recombinaison interfaciale et améliore le transport des électrons à travers l’ensemble du film de pérovskite », explique M. De Wolf.
« Les cellules solaires passivées présentent d’excellentes tensions en circuit ouvert et des rendements atteignant 33,1 %, ce qui est supérieur aux dispositifs de référence. Elles sont également stables lorsqu’elles sont exposées de manière prolongée à des conditions de température et d’humidité élevées. Cela démontre que l’ingénierie de la fonction de travail interfaciale peut augmenter les tensions et réduire les pertes de transport de charge sans sacrifier la stabilité », ajoute t-il.
Dans une autre étude, l’équipe de la KAUST s’est attaquée aux défis posés par les cellules solaires tandem à triple jonction[2]. Ces dispositifs contiennent une couche supplémentaire de pérovskite, ce qui se traduit par un rendement théorique maximal plus élevé, mais introduit également davantage de problèmes en raison de l’instabilité de phase des pérovskites.
Les chercheurs de KAUST, dirigés par M. De Wolf, ont mis au point une méthode qui améliore la stabilité et l’efficacité des cellules solaires en incorporant de l’iodure d’acide propionique d’ammonium dans les réseaux cristallins des couches de pérovskite. L’additif comprend un groupe acide carboxylique qui se lie fortement aux cations du réseau cristallin, empêchant ainsi les transitions de phase. Il améliore également l’interface entre les couches de pérovskite et les monocouches auto-assemblées.
Cette méthode permet d’obtenir des cellules solaires à triple jonction stables, à haut rendement et à haute efficacité. Les dispositifs atteignent un rendement record de 28,7 %, ce qui représente une avancée significative pour les cellules à jonctions multiples.
- Er-raji, O., Messmer, C., Pradhan, R. R., Fischer, O., Hnapovskyi, V., Kosar, S., Marengo, M., List, M., Faisst, J., Jurado, J. P., Matiash, O., Pasanen, H., Prasetio, A., Vishal, B., Zhumagali, S., Pininti, A. R., Gupta, Y., Baretzky, C., Ugur, E., Petoukhoff, C. E., Bivour, M., Aydin, E., Azmi, R., Schön, J., Schindler, F., Schubert, M. C., Schwingenschlögl, U., Laquai, F., Said, A. A., Borchert, J., Schulze, P. S. C., De Wolf, S. & Glunz, S. W. Electron accumulation across the perovskite layer enhances tandem solar cells with textured silicon. Science, eadx1745 (2025).| article.
- Xu, F., Aydin, E., Yavuz, I., Deger, C., Ugur, E., Liu, J., Zhang, X., Razzaq, A., Xu, L., Marengo, M., Vishal, B., Prasetio, A., Subbiah, A., Pininti, A., Allen, T. & De Wolf, S. Stabilized perovskite phases enabling efficient perovskite/perovskite/silicon triple-junction solar cells. Nature Materials (2025).| article.
Source : KAUST
