Les technologies photovoltaïques (PV), qui convertissent la lumière en électricité, sont largement utilisées dans le monde entier pour générer de l’énergie renouvelable. Des chercheurs de Hong Kong ont mis au point un traitement moléculaire qui améliore considérablement l’efficacité et la durabilité des cellules solaires en pérovskite.
Un élément clé de la solution réside dans l’identification réussie des paramètres critiques qui déterminent la performance et la durée de vie des pérovskites halogénées, un matériau photovoltaïque de nouvelle génération. Ce matériau s’est imposé comme l’un des plus prometteurs pour les dispositifs PV grâce à sa structure cristalline unique. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Science.
Passivation et performance
Sous la direction du Professeur Assistant LIN Yen-Hung du Département de Génie Électronique et Informatique (HKUST) et du Laboratoire d’État des Technologies Avancées d’Affichage et d’Optoélectronique, l’équipe de recherche a exploré diverses méthodes de passivation. La passivation est un processus chimique qui réduit le nombre de défauts ou atténue leur impact dans les matériaux, améliorant ainsi la performance et la longévité des dispositifs. L’équipe s’est concentrée sur la famille moléculaire des «amino-silanes» pour la passivation des cellules solaires en pérovskite.
Pour la première fois, l’équipe de recherche a démontré comment différents types d’amines (primaires, secondaires et tertiaires) et leurs combinaisons peuvent améliorer les surfaces des films de pérovskite où de nombreux défauts se forment. Cette amélioration a été obtenue en utilisant des méthodes «ex-situ» (en dehors de l’environnement de fonctionnement) et « in-situ » (dans l’environnement de fonctionnement) pour observer les interactions des molécules avec les pérovskites. De cette manière, des molécules augmentant considérablement le rendement quantique de photoluminescence (PLQY) ont été identifiées, indiquant moins de défauts et une meilleure qualité.
Développement des cellules solaires en tandem
Prof. Lin a expliqué l’importance de cette approche pour le développement des cellules solaires en tandem, qui combinent plusieurs couches de matériaux photoactifs avec des bandes interdites différentes. Ce design maximise l’utilisation du spectre solaire en absorbant différentes parties de la lumière du soleil dans chaque couche, ce qui conduit à une efficacité globale plus élevée.
Dans leur démonstration, l’équipe a fabriqué des dispositifs de tailles moyenne (0,25 cm²) et grande (1 cm²).
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L’expérience a montré une faible perte de photovoltage sur une large gamme de bandes interdites, tout en maintenant une haute tension de sortie. Ces dispositifs ont atteint des tensions en circuit ouvert élevées, dépassant 90 % de la limite thermodynamique. En se basant sur environ 1 700 ensembles de données de la littérature existante, leurs résultats figuraient parmi les meilleurs en termes d’efficacité de conversion d’énergie.
Compatibilité avec la production industrielle
Le Prof. Lin a souligné que leur processus de traitement non seulement améliore l’efficacité et la durabilité des cellules solaires en pérovskite, mais est également compatible avec la production industrielle à grande échelle.
«Ce traitement est similaire au processus de priming HMDS (hexaméthyldisilazane) largement utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs», a-t-il indiqué. «Cette similitude suggère que notre nouvelle méthode peut être facilement intégrée aux processus de fabrication existants, la rendant commercialement viable et prête pour une application à grande échelle.»
Article : « Bandgap-universal passivation enables stable perovskite solar cells with low photovoltage loss » – DOI: 10.1126/science.ado2302
