Une cellule solaire tandem 4T avec un rendement de 31,5 %

L’institut de recherche saoudien a déclaré que sa cellule solaire tandem pérovskite-pérovskite-silicium semi-transparente à quatre terminaux a atteint le rendement le plus élevé jamais rapporté à ce jour pour des cellules solaires tandem 4-T et à triple jonction à base de pérovskite. La caractéristique principale de la cellule est la couche de transport des trous de la cellule pérovskite supérieure, qui a été conçue à l’aide de monocouches auto-assemblées.

juillet 8, 2024 Emiliano Bellini

Cellule solaire tandem pérovskite-silicium d'une efficacité de 33,7 % dévoilée par la KAUST fin mai.

Image : KAUST

D’après pv magazine International

Des chercheurs de la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) en Arabie saoudite ont fabriqué une cellule solaire tandem pérovskite-pérovskite-silicium semi-transparente à quatre terminaux (4T) avec une surface active de 1 cm². « Après les cellules solaires à double jonction pérovskite/silicium, viennent les tandems à triple jonction pérovskite/pérovskite/silicium, a déclaré Stefaan De Wolf, auteur principal de l’étude, à pv magazine. Cependant, la compatibilité de traitement peut constituer un défi important lors du dépôt d’un si grand nombre de couches, où en particulier la jonction de recombinaison entre la cellule supérieure en pérovskite et la cellule intermédiaire en pérovskite peut être difficile à réaliser. De plus, avec cette approche, la cellule supérieure est déposée sur du verre, ce qui ouvre l’espace de conception vers des cellules supérieures robustes et à haut rendement ». La nouvelle cellule a été décrite dans l’article “Four-Terminal Perovskite/Perovskite/Silicon Triple-Junction Tandem Solar Cells with over 30% Power Conversion Efficiency“, publié dans ACS Energy Lett.

Les scientifiques ont déclaré que la caractéristique clé du nouveau dispositif tandem était la couche de transport des trous (HTL) de la cellule supérieure, qui a été conçue avec des monocouches auto-assemblées (SAM) basées sur un composé connu sous le nom de poly(9, 9-bis(3′-(N,N-diméthyl)-N-éthylammoinium-propyl-2,7-fluorène)-alt-2,7-(9,9 dioctylfluorène))dibromide (PFN-Br), qui a été à son tour combiné avec de l’oxyde de nickel (NiOx) pulvérisé.

Rendement inédit pour un tandem 4T

La cellule solaire pérovskite supérieure a été construite avec un substrat fait de verre et d’oxyde d’indium et d’étain (ITO), la HTL basée sur le carbazole (2PACz), le PFN-Br et le NiOx, un absorbeur reposant sur un matériau pérovskite connu sous le nom de Cs0.1FA0.9PbI1Br1. 96Cl0.04, une couche de transport d’électrons basée sur le buckminsterfullerène (C60) et une couche d’oxyde d’étain(IV) (SnO2), une électrode ITO, un contact métallique en argent (Ag) et un revêtement antireflet à base de fluorure de magnésium (MgF2).

Ce dispositif a atteint un rendement de conversion d’énergie de 14,3 %, une tension en circuit ouvert de 1,402 V, une densité de courant de court-circuit de 12,5 mA/cm2 et un facteur de remplissage de 81,5 %. Le dispositif pérovskite central et la cellule silicium inférieure ont été intégrés dans une cellule tandem pérovskite/silicium monolithique qui a atteint un rendement de 17,2 %, une tension en circuit ouvert de 1,783 V, une densité de courant en court-circuit de 11,6 mA/cm² et un facteur de remplissage de 83,0 %.

Le dispositif tandem a pu atteindre un rendement de 31,5 %, ce qui, selon les scientifiques, est le rendement le plus élevé jamais rapporté à ce jour pour des cellules solaires tandem à 4-T et à triple jonction à base de pérovskite. En outre, ils ont constaté que tous les dispositifs étaient capables de conserver 80 % de leur efficacité initiale après 1 500 minutes de suivi du point de puissance maximale, ce qu’ils décrivent comme un résultat “significatif” pour le matériau pérovskite organique-inorganique à bande interdite de 2,0 eV qu’ils ont choisi pour la cellule supérieure.

L’importance de couches d’interconnexion

« La HTL présentait une large distribution de tous les paramètres photovoltaïques, un tiers de tous les dispositifs étant entièrement shuntés, ont déclaré les chercheurs. Cette performance de dérivation totale provient des films de pérovskite qui ne sont pas entièrement recouverts dans le dispositif, ce qui est attribué à la surface hydrophobe des substrats d’ITO ancrés au 2PACz ».

“Les résultats soulignent le potentiel des cellules solaires tandem à triple jonction et mettent l’accent sur l’importance de couches d’interconnexion appropriées entre la pérovskite et la pérovskite dans les cellules solaires monolithiques à triple jonction afin de libérer tout leur potentiel”, ont conclu les universitaires.

En janvier, la KAUST a annoncé qu’elle avait fabriqué une cellule solaire à triple jonction pérovskite-perovskite-silicium avec un rendement de conversion d’énergie de 26,4 %. En mai 2023, elle a obtenu un rendement de 33,7 % pour une cellule solaire tandem pérovskite-silicium. Quelques mois plus tôt, l’université saoudienne avait annoncé un rendement de 28,1 % pour une cellule solaire tandem pérovskite-silicium basée sur des plaquettes de silicium texturées. En août 2022, elle a revendiqué un rendement de 26,2 % pour un dispositif photovoltaïque tandem pérovskite-silicium monolithique.

En décembre 2021, les chercheurs de la KAUST ont obtenu un rendement de conversion d’énergie de 28,2 % pour une cellule solaire tandem d’une surface d’environ 1 cm2, basée sur une pérovskite n-i-p empilée sur une hétérojonction de silicium.

Le même groupe de recherche a récemment annoncé une cellule solaire tandem inversée pérovskite-silicium avec une couche intermédiaire de 1 nm à base de fluorure de magnésium (MgFx) placée entre la couche de pérovskite et la couche de transport des trous (HTL) pour réduire les pertes de tension.

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