Des chercheurs en ingénierie déchiffrent le code pour améliorer l’efficacité et la durabilité des cellules solaires

Les technologies photovoltaïques (PV), qui convertissent la lumière en électricité, sont de plus en plus utilisées dans le monde entier pour produire de l’énergie renouvelable. Des chercheurs de l’École d’ingénierie de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) ont mis au point un traitement moléculaire qui améliore considérablement l’efficacité et la durabilité des cellules solaires à pérovskite. Leur percée pourrait potentiellement accélérer la production à grande échelle de cette énergie propre.

La clé de la solution a été leur identification réussie des paramètres critiques qui déterminent les performances et la durée de vie des pérovskites aux halogénures, un matériau photovoltaïque de nouvelle génération qui s’est révélé être l’un des matériaux les plus prometteurs dans les dispositifs photovoltaïques en raison de sa structure cristalline unique. Les résultats ont été publiés dans Science.

Sous la direction du professeur adjoint Lin Yen-Hung du département de génie électronique et informatique et du laboratoire d’État des technologies d’affichage et d’optoélectronique avancées, l’équipe de recherche a étudié différentes méthodes de passivation, un processus chimique qui réduit le nombre de défauts ou atténue leur impact sur les matériaux, améliorant ainsi les performances et la longévité des dispositifs comprenant ces matériaux. Ils se sont concentrés sur la famille moléculaire « amino-silane » pour la passivation des cellules solaires à pérovskite.

« La passivation sous de nombreuses formes a joué un rôle très important dans l’amélioration de l’efficacité des cellules solaires à pérovskite au cours de la dernière décennie. Cependant, les voies de passivation qui conduisent aux rendements les plus élevés n’améliorent souvent pas sensiblement la stabilité opérationnelle à long terme », a expliqué le professeur Lin.

Pour la première fois, l’équipe de recherche a montré comment différents types d’amines (primaires, secondaires et tertiaires) et leurs combinaisons peuvent améliorer les surfaces des films de pérovskite où se forment de nombreux défauts. Ils y sont parvenus en utilisant à la fois des méthodes « ex-situ » (en dehors de l’environnement d’exploitation) et « in-situ » (dans l’environnement d’exploitation) pour observer les interactions des molécules avec les pérovskites.

À partir de là, ils ont identifié des molécules qui augmentent substantiellement le rendement quantique de photoluminescence (PLQY), c’est-à-dire la quantité de photons émis lors de l’excitation des matériaux, indiquant moins de défauts et une meilleure qualité.

« Cette approche est cruciale pour le développement de cellules solaires en tandem, qui combinent plusieurs couches de matériaux photoactifs avec différentes bandes interdites. La conception 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 », a déclaré le professeur Lin.

Dans leur démonstration de cellules solaires, l’équipe a fabriqué des dispositifs de taille moyenne (0,25 cm²) et grand (1 cm²) tailles. L’expérience a permis d’obtenir une faible perte de phototension sur une large gamme de bandes interdites, tout en maintenant une tension de sortie élevée.

Ces dispositifs ont atteint des tensions en circuit ouvert élevées, supérieures à 90 % de la limite thermodynamique. Une comparaison avec environ 1 700 ensembles de données issues de la littérature existante a montré que leurs résultats étaient parmi les meilleurs rapportés à ce jour en termes d’efficacité de conversion d’énergie.

Plus important encore, l’étude a démontré une stabilité opérationnelle remarquable pour les cellules passivées à l’amino-silane dans le cadre du protocole ISOS-L-3 (International Summit on Organic Solar Cells), une procédure de test standardisée pour les cellules solaires.

Environ 1 500 heures après le début du processus de vieillissement des cellules, l’efficacité du point de puissance maximale (MPP) et l’efficacité de conversion de puissance (PCE) sont restées à des niveaux élevés. Pour que les cellules les mieux passivées diminuent à 95 % de leurs valeurs initiales, l’efficacité MPP et l’efficacité PCE les meilleures ont été enregistrées à 19,4 % et 20,1 % respectivement, parmi les mesures les plus élevées (en tenant compte de la bande interdite) et les plus longues rapportées à ce jour.

Le professeur Lin a souligné que leur processus de traitement améliore non seulement l’efficacité et la durabilité des cellules solaires à pérovskite, mais est également compatible avec la production à l’échelle industrielle.

« Ce traitement est similaire au procédé d’amorçage HMDS (hexaméthyldisilazane) largement utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs », a-t-il déclaré. « Cette similitude suggère que notre nouvelle méthode peut être facilement intégrée aux processus de fabrication existants, la rendant ainsi commercialement viable et prête pour une application à grande échelle. »

L’équipe comprenait Cao Xue-Li, étudiant au doctorat en génie électronique et informatique, le Dr Fion Yeung, directeur principal du laboratoire national de technologies d’affichage et d’optoélectronique avancées, ainsi que des collaborateurs de l’université d’Oxford et de l’université de Sheffield.