Percée dans la stabilisation des cellules solaires tandem pérovskite-silicium par dépôt en phase vapeur

Des chercheurs de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont développé une méthode révolutionnaire de dépôt en phase vapeur qui améliore considérablement la stabilité à long terme et à haute température des cellules solaires tandem pérovskite-silicium (Si). C’est la première fois que le dépôt en phase vapeur est appliqué avec succès à des plaquettes de silicium texturées à l’échelle micrométrique industrielles, la structure de plaquette réelle utilisée dans la fabrication commerciale des cellules solaires, ce qui représente une étape majeure pour la transition des cellules solaires tandem de l’échelle laboratoire vers des produits réels.

La nouvelle méthode permet une croissance conforme et de haute qualité du pérovskite sur des plaquettes de silicium texturées à l’échelle micrométrique industrielles, une exigence cruciale pour la production de masse, et offre un rendement de conversion de puissance de plus de 30 pour cent avec une stabilité opérationnelle dépassant largement 2 000 heures, incluant des durées de vie T₉₀ — le temps nécessaire pour que la performance chute à 90 pour cent de la production initiale — de plus de 1 400 heures à 85 °C sous un éclairement de 1 soleil, un repère standard dans l’énergie solaire représentant une intensité lumineuse de 1000 watts par mètre carré. Ces résultats représentent l’une des cellules solaires tandem pérovskite-Si les plus durables jamais rapportées, validant une voie viable vers des modules photovoltaïques commerciaux.

Des cellules solaires durables pour des applications réelles

Pour que les cellules solaires tandem soient déployées sur les toits, les fermes solaires et les installations industrielles, elles doivent résister pendant des années à des températures élevées, à l’humidité et à un ensoleillement intense. Atteindre une telle durabilité à long terme sur des plaquettes de silicium texturées industrielles, plutôt que sur des surfaces de laboratoire spécialisées, est essentiel pour une fabrication réelle. Bien que le dépôt en phase vapeur ait longtemps été considéré comme une approche évolutive et adaptée à l’industrie, il n’avait jamais réussi à produire des couches de pérovskite stables et de haute qualité sur du silicium industriel véritable avec de grandes textures. En réalisant cela pour la première fois, l’équipe de la NUS a surmonté un obstacle majeur de fabrication et a démontré le niveau de stabilité à haute température nécessaire pour un déploiement commercial futur.

Asst Prof Hou a affirmé : « Atteindre à la fois un haut rendement et une durabilité à long terme sur du silicium texturé industriel est essentiel pour que les tandems deviennent commercialement viables ».

Une nouvelle stratégie moléculaire pour une adsorption vapeur équilibrée

Lors du dépôt en phase vapeur, les molécules précurseurs organiques du pérovskite peinent à s’adsorber uniformément sur les textures pyramidales abruptes qui caractérisent les plaquettes de silicium industrielles. Ce déséquilibre conduit à une mauvaise formation du film et à une dégradation rapide sous la chaleur. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont conçu une molécule spécialisée qui se lie à la surface du silicium et améliore l’adsorption des molécules organiques pendant le dépôt en phase vapeur, permettant au film de pérovskite de croître régulièrement avec l’équilibre chimique correct.

En conséquence, les dispositifs tandem déposés en phase vapeur ont affiché une endurance thermique exceptionnelle. Ils ont maintenu un fonctionnement stable pendant bien plus de 1 000 heures sous éclairage continu et ont conservé de bonnes performances lors d’une exposition prolongée à 85 °C, ce qui est l’un des tests de vieillissement les plus exigeants de l’industrie solaire. Atteindre une telle stabilité à haute température dans les tandems à base de pérovskite est rare et d’autant plus significatif que cela a été réalisé sur des plaquettes texturées industrielles en utilisant une méthode de fabrication évolutive.

Asst Prof Hou a expliqué : « Avec les pérovskites déposés en phase vapeur, nous abordons deux défis fondamentaux d’un seul coup : la compatibilité avec les vraies plaquettes de silicium industrielles et le fonctionnement stable sous la chaleur ». Et il a ajouté : « C’est la première preuve que les cellules tandem pérovskite cultivées en phase vapeur atteignent la durabilité requise pour un déploiement commercial, nous rapprochant de modules solaires tandem pratiques et fiables ».

Prochaine étape

L’équipe de la NUS va maintenant travailler sur la mise à l’échelle de la méthode de dépôt en phase vapeur, passant de petites cellules solaires à des modules de grande surface, et intégrer le processus dans des lignes de fabrication pilotes. Asst Prof Hou a déclaré : « Notre prochaine phase est de démontrer des modules tandem pleine taille et durables dans des conditions de fonctionnement réelles ». Et il a conclu : « Cela nous rapprochera d’un pas du déploiement commercial ».

Ces travaux ont été dirigés par le professeur assistant Hou Yi, qui est Presidential Young Professor au Département de génie chimique et biomoléculaire du College of Design and Engineering de la NUS, et chef du groupe des cellules solaires multijonctions à base de pérovskite à l’Institut de recherche sur l’énergie solaire de Singapour (SERIS) à la NUS.

Article : Optimal perovskite vapor partitioning on textured silicon for high-stability tandem solar cells – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude

Source : NUS