Des scientifiques de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne et de l’Université Northwestern , près de Chicago, ont mis au point l’une des cellules photovoltaïques à pérovskites les plus stables au rendement supérieur à 25% grâce à une conception révolutionnaire qui ouvre la voie à une future commercialisation. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature.
Les cellules photovoltaïques à pérovskites (PSC) sont à la pointe de l’innovation dans le secteur de l’électricité d’origine solaire. Elles suscitent un grand intérêt en raison de leur rendement de conversion de puissance et de leur fabrication rentable. Mais avant de pouvoir commercialiser les PSC, il faudrait parvenir à la fois à un rendement élevé et à une stabilité à long terme, notamment dans des conditions environnementales difficiles.
La solution réside dans l’interaction entre les couches de PSC, qui s’est avérée être une arme à double tranchant. Les couches peuvent améliorer les performances des cellules mais aussi les dégrader trop rapidement pour une utilisation régulière dans la vie quotidienne.
Les laboratoires de Michael Grätzel à l’EPFL et d’Edward Sargent à l’Université Northwestern, près de Chicago ( Etats-Unis d’Amérique) ont conçu des PSC d’une stabilité record et d’un rendement de conversion de puissance supérieur à 25% . Les chercheuses et chercheurs se sont intéressés à la conception de PSC inversées, dont les propriétés sont prometteuses en termes de stabilité opérationnelle. Ils ont inséré une «monocouche conforme auto-assemblée sur des substrats texturés», une couche unique de molécules qui recouvre spontanément et uniformément la surface irrégulière d’un substrat texturé. La molécule utilisée est l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) dans la monocouche auto-assemblée (SAM) des cellules photovoltaïques, formée d’une couche moléculaire d’acides phos-phoniques remplacés par du carbazole, qui extrait sélectivement les porteurs de charge positive («trous») produits sous l’effet de l’illumination sur les films de pérovskite.
La molécule 3-MPA améliore le contact entre le matériau pérovskite et le substrat texturé de la cellule photovoltaïque ce qui permet de désagréger les grappes moléculaires de carbazole et d’assurer une répartition plus homogène des molécules dans la monocouche auto-assemblée. Les molécules sur la surface de la cellule photovoltaïque se répartissent de manière plus uniforme, ce qui permet d’éviter les amas problématiques et d’améliorer la stabilité et le rendement des PSC.
Cette conception améliore l’absorption de la lumière tout en minimisant les pertes d’énergie à l’interface entre les couches. A été obtenu un rendement de conversion de puissance impressionnant de 25,3%, chiffre mesuré en laboratoire. Le dispositif a conservé 95% de ses performances maximales même après avoir été soumis à des conditions sévères – une température de 65°C et une humidité relative de 50% pendant plus de 1 000 heures. Un tel niveau de stabilité, associé à un rendement aussi élevé, est sans précédent dans le domaine des PSC.
Cette approche révolutionnaire représente une avancée majeure dans la commercialisation des PSC. L’élimination des problèmes de rendement et de stabilité, combinée à des coûts de fabrication inférieurs à ceux des cellules photovoltaïques actuelles, peut aboutir à un déploiement à grande échelle. Ce nouveau procédé peut également aller au-delà des cellules photovoltaïques et profiter à d’autres dispositifs optoélectroniques nécessitant une gestion efficace de la lumière, tels que les LED et les photodétecteurs.
Université de Toronto, Université de Pékin, Université du Kentucky, Université de Caroline du Nord
Fondation nationale des sciences naturelles de Chine ; Bourse d’études supérieures du Canada Vanier SHyNE Resource;
Institut international de nanotechnologie (IIN) ; Programme MRSEC de l’Université Northwestern
RéférencesSo Min Park, Mingyang Wei, Nikolaos Lempesis, Wenjin Yu, Tareq Hossain, Lorenzo Agosta, Virginia Carnevali, Harindi R. Atapattu, Peter Serles, Felix T. Eickemeyer, Heejong Shin, Maral Vafaie, Deokjae Choi, Kasra Darabi, Eui Dae Jung, Yi Yang, Da Bin Kim, Shaik M. Zakeeruddin, Bin Chen, Aram Amassian, Tobin Filleter, Mercouri G. Kanatzidis, Kenneth R. Graham, Lixin Xiao, Ursula Rothlisberger, Michael Grätzel, and Edward H. Sargent. Low-loss contacts on textured substrates for inverted perovskite solar cells.
Nature October 19, 2023. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06745-7
