Un réglage moléculaire fin augmente l’efficacité des cellules solaires tandem

Avec des contacts conçus moléculairement de manière ciblée, des chercheurs de la LMU atteignent un rendement de 31,4 % pour des cellules tandem pérovskite-silicium.

Les cellules solaires tandem pérovskite-silicium sont considérées comme une technologie clé pour le photovoltaïque. Grâce à leur conception, elles utilisent la lumière du soleil plus efficacement que les cellules en silicium conventionnelles. Alors que la couche supérieure de pérovskite absorbe la partie bleue à haute énergie du spectre, la couche de silicium en dessous capture la partie rouge. L’interaction des deux matériaux permet de récolter significativement plus d’énergie solaire.

Une équipe de recherche internationale dirigée par le Dr Erkan Aydin, chef de groupe de recherche à la LMU, a réalisé une percée importante avec cette approche. Dans la revue Joule, les chercheurs rapportent la première cellule tandem pérovskite-silicium entièrement produite dans la région de Munich.

Une nouvelle approche de conception moléculaire

Un élément clé des cellules tandem est la monocouche auto-assemblée (SAM). Épaisse de seulement quelques nanomètres, cette couche moléculaire assure que les charges électriques sont transportées efficacement vers les couches de collecte de charge. Cependant, sur des surfaces de silicium texturées en pyramides, les SAM conventionnelles avec de simples chaînes alkyle ont tendance à s’agréger de manière inégale. Cela limite les performances des cellules.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé une molécule spéciale. Sa structure particulière améliore le transport des charges même sur des surfaces rugueuses et crée ainsi la base pour une interface stable.

Lors des analyses, l’équipe a fait une observation surprenante : un précurseur SAM disponible dans le commerce possédait de minuscules impuretés contenant du brome. Celles-ci se sont avérées extrêmement utiles, car elles neutralisaient les défauts à l’interface et augmentaient ainsi l’efficacité des cellules solaires.

« Qu’un si petit changement chimique puisse avoir un effet aussi important nous a même surpris », explique le chef de projet Erkan Aydin. « Cette découverte montre à quel point l’interaction précise des matériaux au niveau moléculaire est décisive pour le rendement énergétique des cellules solaires émergentes ».

Les chercheurs ont combiné des molécules bromées et non bromées afin d’exploiter les effets positifs du brome sans altérer la stabilité chimique. Leur nouvelle structure SAM conçue permet un empilement moléculaire plus dense et une meilleure passivation de l’interface – ce qui conduit à son tour à des rendements plus élevés, une stabilité accrue et une extraction de charge plus efficace.

Un rendement de 31,4%

Grâce à ce réglage fin ciblé au niveau moléculaire, l’équipe a obtenu un rendement de 31,4 pour cent. Cela place l’équipe parmi les laboratoires leaders développant des cellules tandem pérovskite-silicium à haute performance dans le monde. Plus remarquable encore, ces valeurs ont été atteintes sur des cellules inférieures en silicium cristallin pertinentes pour l’industrie. Outre l’efficacité accrue, la stabilité des cellules s’est avérée s’améliorer sur de plus longues périodes. L’empilement moléculaire plus dense des nouvelles SAM protège l’interface sensible des dommages au niveau moléculaire.

« Comme prochaine étape, nous voulons montrer que nos cellules tandem peuvent faire leurs preuves non seulement en laboratoire, mais aussi dans des tests de vieillissement accéléré, ce qui donne un aperçu du comportement dans des conditions environnementales réelles », déclare Erkan Aydin. « En même temps, nous testons comment la technologie peut être adaptée pour des applications spatiales – en particulier pour les satellites en orbite terrestre basse ». C’est un domaine où l’intérêt pour des cellules solaires très légères, résistantes aux radiations et à haute performance est en plein essor.

Les collaborateurs de la LMU dans ce travail sont la Southern University of Science and Technology (SUSTech) à Shenzhen, en Chine, la City University of Hong Kong et la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) en Arabie Saoudite.

Article : Enhanced charge extraction in textured perovskite-silicon tandem solar cells via molecular contact functionalization – Journal : Joule – DOI : Lien vers l’étude

Source : LMU