Une étude examine la durabilité des cellules solaires extérieures en pérovskite

Les cellules solaires à pérovskite (PSC) sont des cellules photovoltaïques (PV) de nouvelle génération prometteuses, offrant des performances élevées et des coûts de production faibles par rapport au silicium. Cependant, l’un des principaux défis à l’adoption généralisée des PSC est la stabilité et la durabilité.

De nouvelles recherches examinent les mécanismes de dégradation des PSC sous la lumière non filtrée du soleil extérieur en comparaison avec les diodes électroluminescentes largement utilisées.

La recherche, intitulée « Les couches de transport de trous à liaison forte réduisent la dégradation ultraviolette des cellules solaires à pérovskite », a été publiée dans Science et a découvert qu’un matériau polymère hybride spécial synthétisé dans le cadre de ce travail et placé dans la cellule de pérovskite aidait à conserver une efficacité élevée et à améliorer la stabilité aux ultraviolets (UV) lors des tests en extérieur.

L’équipe de chercheurs de cette étude a été dirigée par l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill avec le soutien de la Colorado School of Mines, du National Renewable Energy Laboratory (NREL), de l’Université de Californie à San Diego et de l’Université de Toledo.

Un élément clé de cette recherche a été une vérification indépendante des résultats par le centre Perovskite PV Accelerator for Commercializing Technologies (PACT) du département américain de l’énergie (DOE).

Identifier les raisons de la durabilité de la pérovskite entre le laboratoire et l’extérieur

La plupart des tests PSC se déroulent dans un environnement contrôlé en laboratoire, à l’aide de diodes électroluminescentes (LED) comme sources lumineuses. Pour accélérer la commercialisation des PSC, des tests de performances en extérieur en conditions réelles sont nécessaires pour comprendre les mécanismes sous-jacents de la dégradation de la lumière du soleil et de la température.

Les conditions extérieures diffèrent de celles de l’éclairage intérieur ou du suivi du point de puissance maximale de plusieurs manières. La température, l’irradiance et l’intensité de la lumière UV changent constamment à l’extérieur. Les couches minces de pérovskite peuvent se décomposer lorsqu’elles réagissent avec l’humidité et l’oxygène ou lorsqu’elles sont exposées pendant une période prolongée à la lumière, à la chaleur ou à une tension appliquée.

L’équipe a étudié le mécanisme de dégradation induite par la lumière UV dans les PSC à structure en épingle avec des matériaux de transport de trous hybrides organiques (HTM) et a développé une méthode pour réduire l’écart entre la durabilité intérieure et extérieure.

Dans les cellules solaires à pérovskite, un champ électrique sépare et chasse les paires électron-trou générées par la lumière du soleil sur l’appareil hors du matériau semi-conducteur absorbant pour générer de l’électricité. La couche de transport collecte et déplace les électrons ou les trous de la couche de pérovskite vers les électrodes, permettant ainsi le flux d’électricité.

Les chercheurs ont déterminé que la faible liaison chimique entre la couche de perovskite, la couche de polymère HTM et la couche d’oxyde conducteur transparent (TCO) dominait la dégradation. Cela provoque la dégradation du PSC sous la lumière du soleil avec de fortes composantes UV.

En se concentrant sur la liaison chimique faible, les chercheurs ont démontré qu’un polymère synthétisé renforçait la liaison chimique dans la région pérovskite/HTM/TCO.

Cette couche hybride HTM a été vérifiée de manière indépendante au centre PACT, et le module champion a démontré une période initiale où l’efficacité opérationnelle a augmenté de quelques pour cent pour atteindre environ 16 %. Après 29 semaines de tests en extérieur, l’efficacité opérationnelle est restée supérieure à 16 %.

Accélération du développement de nouveaux matériaux à base de pérovskite grâce aux tests et à l’évaluation du centre PACT

En 2021, le Bureau des technologies de l’énergie solaire du DOE (SETO) a créé le centre PACT pour initier des normes de test et d’évaluation afin d’évaluer et de valider les revendications de performance et de fiabilité de la technologie PV à pérovskite en évolution rapide.

« Nous pensons qu’il s’agit de la première démonstration publiée de performances en extérieur montrant des mini-modules de pérovskite d’une surface supérieure à 15 cm² « qui avait une efficacité d’ouverture mesurée supérieure à 16 % après 29 semaines de tests en extérieur », a déclaré Laura Schelhas, chercheuse en chimie au NREL, directrice adjointe du PACT et chef de l’équipe de fiabilité du PACT.

« La démonstration en conditions réelles est une étape cruciale vers la commercialisation, et nous espérons qu’en offrant ces capacités au PACT, les chercheurs et les entreprises pourront exploiter ces données pour améliorer la fiabilité. »

La fourniture de protocoles de test tels que ceux développés par le centre PACT contribuera à développer des conditions de concurrence équitables et équitables pour l’industrie émergente du photovoltaïque à pérovskite.