Un procédé simple prolonge la durée de vie des cellules solaires en pérovskite

Ce matériau est aussi efficace que le silicium pour générer de l’énergie propre et présente des coûts de production plus faibles, une plus grande légèreté et une plus grande flexibilité. Sa dégradation rapide est l’un des principaux obstacles à surmonter pour rendre son utilisation viable.

Une étude réalisée à l’Université fédérale ABC (UFABC), dans l’État de São Paulo, au Brésil, présente une nouvelle façon d’atténuer la dégradation rapide des cellules solaires en pérovskite. Ce problème, qui limite l’utilisation de ces dispositifs dans la vie quotidienne, a poussé les chercheurs à trouver des solutions viables.

Les cellules solaires à pérovskite constituent une technologie photovoltaïque très prometteuse. Elles sont aussi efficaces que les cellules au silicium et leur coût de production est moins élevé. En outre, elles sont légères, flexibles et semi-transparentes, ce qui ouvre de nombreuses possibilités d’applications telles que les fenêtres, les vêtements ou les tentes qui peuvent produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil.

Cependant, la commercialisation de ces cellules est entravée par leur faible durabilité due à la dégradation que subissent les matériaux pérovskites lorsqu’ils sont exposés à l’humidité et à la température ambiante, tant au cours de leur fabrication que de leur utilisation. Cette dégradation affecte les performances des dispositifs au fil du temps et donc leur durabilité.

Dans un article publié dans la revue Solar Energy Materials and Solar Cells, l’équipe de l’UFABC décrit un processus unique en ce sens qu’il peut être réalisé sans les contrôles stricts d’humidité et de température qui existent dans les laboratoires consacrés à la recherche sur ces dispositifs.

« Les cellules solaires de ce travail ont été obtenues dans des conditions ambiantes, sans contrôle majeur de l’humidité, ce qui peut être plus compatible avec les conditions de préparation industrielles », indique le professeur André Sarto Polo, coordinateur de l’étude et membre du Centre d’innovation sur les nouvelles énergies (CINE) – un centre de recherche en ingénierie (ERC) soutenu par la FAPESP et Shell.

Moduler la composition

La famille des pérovskites comprend des matériaux de compositions chimiques différentes. Ils partagent tous une structure commune d’ions chargés positivement (cations) et d’ions chargés négativement (anions). Les pérovskites basées sur les cations méthylammonium (MA+) et formamidinium (FA+) sont les plus étudiées pour être utilisées dans les cellules solaires.

Dans cette nouvelle étude, soutenue par la FAPESP dans le cadre de trois projets (17/11986-5, 22/07268-8 et 23/09820-2), les auteurs ont incorporé des quantités croissantes de cations formamidinium dans des pérovskites à base de méthylammonium, ont caractérisé chacun des matériaux obtenus et ont assemblé des cellules solaires avec ces matériaux. La production et la caractérisation des matériaux et des dispositifs ont été réalisées dans des environnements dont l’humidité relative variait de 40 à 60 %.

Pour tester leur stabilité, ces cellules solaires ont été exposées à la température et à l’humidité ambiantes pendant 90 jours. Au cours de cette période, les chercheurs ont systématiquement étudié les propriétés de tous les dispositifs afin de déterminer l’influence de l’ajout de formamidinium sur les performances des cellules solaires.

Alors que les cellules solaires sans FA+ ont montré une forte baisse d’efficacité immédiatement après l’assemblage et ont cessé de fonctionner après 30 jours, les cellules avec plus de 25 % de FA+ ont maintenu une efficacité de 80 % à la fin des 90 jours.

« Ce travail démontre que l’incorporation de cations FA+ dans des pérovskites à base de MA+ entraîne une augmentation de la durabilité des cellules solaires pérovskites fabriquées et mesurées dans des conditions ambiantes », résume André Sarto Polo.

Selon lui, cela s’explique par le fait que l’ajout de formamidinium entraîne une augmentation de la taille des grains qui composent la structure cristalline de la pérovskite, ce qui réduit la longueur totale des bords. Comme les bords sont des points où l’humidité s’accumule, la pérovskite subit moins de dégradation et la cellule solaire conserve ses bonnes performances plus longtemps.

Ces recherches, menées dans le cadre des études doctorales de Lucas Polimante, ouvrent la perspective de développer des cellules solaires en pérovskite plus durables, pouvant être produites à moindre coût et dans des conditions plus respectueuses de l’environnement.

Outre la FAPESP et Shell, le groupe a reçu un financement du Conseil national pour le développement scientifique et technologique (CNPq) et de la Coordination pour l’amélioration du personnel de l’enseignement supérieur (CAPES), ainsi qu’un soutien stratégique de l’Agence nationale du pétrole, du gaz naturel et des biocarburants (ANP).

The article “Enhancing the stability of methylammonium-based perovskite solar cells prepared in ambient conditions by adding formamidinium cations” can be read at: S0927024825001230.

Source : FAPESP