Des scientifiques de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ont réduit considérablement les pertes d’énergie et à augmenter l’efficacité des cellules photovoltaïques à pérovskites en incorporant du rubidium . C’est ce qu’explique l’article suivant, d’après le texte de Nik Papageorgiou, du service communication de l’EPFL.

L’énergie photovoltaïque est l’une des solutions les plus prometteuses pour réduire la dépendance aux énergies fossiles. Les cellules photovoltaïques à pérovskites ont apporté des améliorations spectaculaires et rapides en termes d’efficacité et un potentiel de fabrication à faible coût. Mais elles présentent toujours des pertes d’énergie et des problèmes de stabilité opérationnelle.

Les cellules à pérovskites, en particulier celles utilisées dans des configurations en tandem, reposent sur des matériaux à large bande interdite, des semi-conducteurs qui absorbent la lumière à plus haute énergie tout en laissant passer la lumière à plus basse énergie  pour maximiser leur efficacité. Mais les formulations de pérovskites à large bande interdite subissent souvent une ségrégation de phases, où plusieurs composants se séparent au fil du temps, ce qui entraîne une baisse des performances.

L’ajout de rubidium (élément naturel Rb) stabilise les matériaux WBG, mais cet élément a tendance à former des phases secondaires indésirables qui réduisent son efficacité. Sous la houlette de Lukas Pfeifer et Likai Zheng dans l’équipe de Michael Grätzel de l’EPFL , des scientifiques ont pu forcer le rubidium à rester en place. En utilisant la «déformation de réseau» du film de pérovskite, ils ont incorporé des ions Rb dans la structure, ce qui a empêché la ségrégation de phases indésirables.

La déformation de réseau, c’est-à-dire une distorsion contrôlée de la structure atomique, bloque le rubidium dans le réseau de pérovskites. Les chercheurs ont peaufiné la composition chimique et ajusté avec précision le processus de chauffage et de refroidissement. Un chauffage rapide suivi d’un refroidissement contrôlé induisait une déformation, ce qui a empêché le rubidium de former des phases secondaires indésirables et a permis de s’assurer qu’il reste intégré dans la structure.

L’incorporation de rubidium augmente la tension en circuit ouvert dans les cellules photovoltaïques à pérovskites à large bande interdite . Les scientifiques ont aussi découvert que l’introduction d’ions chlorure est essentielle pour stabiliser le réseau en compensant les différences de taille entre les éléments incorporés.

La nouvelle composition de pérovskites, renforcée par du rubidium a atteint une tension en circuit ouvert de 1,30 V, soit 93,5 % de sa limite théorique.  La réduction des pertes d’énergie dans les cellules photovoltaïques à pérovskites pourrait aboutir à des panneaux solaires plus efficaces et plus rentables. Cela est particulièrement important pour les cellules solaires en tandem, où les pérovskites sont associées au silicium pour maximiser leur efficacité.

Les résultats on des implications au-delà des panneaux solaires. Les pérovskites sont à l’étude pour les LED, les capteurs et d’autres applications optoélectroniques. En stabilisant les pérovskites WBG, les recherches de l’EPFL pourraient contribuer à accélérer la commercialisation de ces technologies.

Autres contributeurs Laboratoire de résonance magnétique de l’EPFL ; Plateforme de diffraction aux rayons X et d’analyse de surface de l’EPFL ; Installation de croissance des cristaux de l’EPFL ; Laboratoire de chimie et biochimie computationnelles de l’EPFL ; Université d’aéronautique et d’astronautique de Nankin ; Université nationale de Singapour; Politecnico di Milano

Financement : Güneş Perovskite Solar Cell A.S. (Turquie) ; Fondation nationale des sciences naturelles de Chine ; Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) ; Université nationale de Singapour, Chaire présidentielle de jeune professeur; Centre suisse de calcul scientifique (CSCS)
Références : Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, Bin Huang, Ummugulsum Gunes, Pascal Schouwink, David Wenhua Bi, Virginia Carnevali, Mounir Mensi, Francesco Biasoni, Yuxuan Zhang, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikolaos Lempesis, Michael A. Hope, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Lukas Pfeifer, Yimin Xuan, Michael Grätzel. Strain-induced rubidium incorporation into wide bandgap perovskites reduces photovoltage loss. Science 04 April 2025. DOI: 10.1126/science.adt3417