Une cellule solaire tandem basée sur un pérovskite à large bande interdite atteint une efficacité de 29,1 %

D’après pv magazine International

Une équipe dirigée par l’Université de Nankin en Chine a démontré une cellule solaire tandem tout-pérovskite de 0,049 cm² avec des pertes de tension en circuit ouvert réduites dans la sous-cellule pérovskite à large bande interdite (WBG) et une efficacité globale améliorée. Ce résultat a été obtenu en supprimant la recombinaison non radiative à l’aide d’une pérovskite bidimensionnelle comme phase intermédiaire sur la surface du film. « Lors de nos tests en laboratoire, le dispositif a atteint une efficacité record de 29,7 %, avec une tension en circuit ouvert de 2,175 V, une densité de courant de 16,4 mA cm⁻² et un facteur de remplissage de 83,3 %, a déclaré Renxing Lin, auteur correspondant, à pv magazine, ajoutant que le résultat a été certifié par le Japan Electrical Safety and Environment Technology Laboratory (JET).

L’équipe a déclaré que les orientations préférées dans les pérovskites à large bande interdite peuvent être réalisées en augmentant la quantité de phases bidimensionnelles grâce à l’ingénierie de la composition de surface, sans avoir besoin de ligands bidimensionnels excessifs qui gênent autrement le transport des porteurs de charge.

Le travail a consisté à incorporer de l’iodure de phényléthylamine (PEAI) et de l’iodure de méthylammonium (MAI) dans l’antisolvant lors de la fabrication, formant ainsi une couche de pérovskite 2D sur la surface de la sous-cellule pérovskite à large bande interdite. « Cette couche de pérovskite 2D a servi de sites de nucléation hétérogènes, facilitant la croissance verticale des cristaux de pérovskite 3D orientés (100) en raison de l’énergie interfaciale réduite associée aux hétérostructures 2D/3D, a expliqué Renxing Lin. Par conséquent, le traitement avec l’antisolvant a non seulement modifié la surface du pérovskite, mais a également influencé de manière significative l’orientation cristallographique des cristaux de pérovskite, favorisant un alignement cristallin plus avantageux ».

Une conception d’ajustement optique-électrique optimisée

L’approche a donné des films de pérovskite WBG de haute qualité avec une orientation (100), ce qui a permis de supprimer la recombinaison non radiative dans les sous-cellules pérovskite à large bande interdite, atteignant une tension en circuit ouvert de 1,373 V pour une bande interdite de 1,78 eV avec une efficacité de 21,1 %. Cela a été combiné avec une sous-cellule à bande interdite étroite de haute efficacité dans une configuration tandem, « incorporant une conception d’ajustement optique-électrique bien optimisée » pour atteindre la cellule solaire tandem tout-pérovskite à haute performance, selon le chercheur.

Pour les films WBG, des approches courantes ont été explorées, ont noté les chercheurs. Une approche a ajouté le PEAI à la solution de précurseur en tant qu’additif direct (DA), et l’autre a introduit le PEAI dans l’antisolvant en tant qu’additif de solution-processus (SPA). Un autre SPA avait un mélange de MAI et de PEAI dans un rapport pondéral de 1:2 comme additif de solution-processus mélangé (M-SPA) pour créer un environnement local riche en MA.

Les tests de stabilité ont révélé que les deux échantillons MA « se sont révélés plus stables » que DA, conservant plus de 85 % de leur efficacité initiale pendant 500 heures. Cependant, celui sans cations MA a mieux performé. « Nous suggérons que les efforts futurs devraient se concentrer sur des additifs non-MA qui améliorent la formation de modèles 2D », ont déclaré les scientifiques. Leur travail est détaillé dans l’article “All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100) orientation in wide-bandgap perovskites“, publié dans Nature Materials. Les chercheurs proviennent de l’Université de Nankin, de l’Université ShanghaiTech, de Renshine Solar (Suzhou) et de l’École polytechnique fédérale de Lausanne en Suisse.

À l’avenir, le groupe vise à réaliser le potentiel du marché pour la technologie dans des produits photovoltaïques à grande échelle, résidentiels et autres. Il travaille également sur l’efficacité, la fiabilité, la stabilité à long terme, la réduction des pertes et l’amélioration de l’efficacité, y compris l’échelle de fabrication des dispositifs, des petits aux grands dispositifs. « Pour faciliter cela, notre objectif sera d’adapter notre méthode pour le revêtement par lame à grande échelle, une technique évolutive et rentable pour la production de masse. Cela nécessitera une optimisation supplémentaire de divers paramètres, notamment la composition du solvant, la vitesse de déposition, les conditions de recuit et l’uniformité du revêtement, afin de garantir une qualité de film constante et une grande reproductibilité sur des substrats plus grands, insiste Renxing Lin. De plus, nous aborderons le défi de maintenir l’uniformité dans les couches de pérovskite à des échelles plus grandes, en particulier en ce qui concerne la formation d’une hétérostructure homogène 2D/3D à la surface du film ».

Des travaux supplémentaires sur les interfaces consisteraient à « affiner les matériaux, les épaisseurs de couches et les méthodes d’encapsulation » pour améliorer la stabilité des dispositifs. « Nous enquêtons également sur des techniques de caractérisation avancées pour mieux comprendre comment le processus de mise à l’échelle affecte la cristallinité, l’orientation et la morphologie globale des films de pérovskite », a-t-il conclu.

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