Une avancée supplémentaire dans la performance des cellules solaires en pérovskite

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Les cellules solaires en pérovskite sont faites d’un mélange de molécules organiques et d’éléments inorganiques qui ensemble capturent la lumière et la transforment en électricité exactement de la même manière que le font les cellules solaires à base de silicium plus communément utilisées. Ces dispositifs photovoltaïques en pérovskite peuvent être produits plus facilement et à un coût inférieur à celui de leurs homologues en silicium, et sur un substrat de surcroît flexible et non rigide. Les premières cellules solaires en pérovskite pourraient bien atteindre le marché dès l’année prochaine, et certaines d’entre elles sont considérées comme atteignant un rendement d’environ 20%.

Dans un article publié par Nature Materials [1], des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory présentent un nouveau design qui atteint d’ores et déjà un rendement moyen à l’état stationnaire de 18,4% avec une pointe dans le même état à 21,7% et un pic à 26%, des chiffres impressionnants dans la mesure où le processus d’optimisation n’en est qu’à ses débuts. C’est potentiellement le dispositif photovoltaïque à la fois le moins cher du marché (avec une capacité à s’intégrer à n’importe quel système individuel) et doté d’un rendement très supérieur à celui des cellules solaires en silicium polycristallin (entre 10% et 20%). Seules certaines cellules solaires en silicium le plus pur, extrêmement coûteuses à produire, ont atteint un plafond de rendement d’environ 25%.

Cette avancée provient d’une nouvelle manière de combiner deux matériaux de pérovskite, chacun configuré de manière à absorber une longueur d’onde lumineuse différente, en une cellule solaire à largeur de bande interdite qui absorbe l’intégralité du spectre de la lumière visible. Jusqu’alors, les tentatives de combiner deux matériaux en pérovskite avaient échoué car chacun des matériaux dégradait la performance électronique de l’autre.

Dans le cas présent, la clé pour parvenir à fusionner les deux matériaux en une cellule solaire réside dans l’insertion d’une couche monoatomique de nitrure de bore qui agit comme une sorte de grillage qui sépare les couches de pérovskite l’une de l’autre. Les deux couches sont formées d’iodures méthylammonium à l’étain pour l’une, au plomb dopé au bore pour l’autre. La première est configurée pour absorber préférentiellement la lumière d’une énergie d’1 eV (dans le proche infrarouge) tandis que le second absorbe des photons d’une énergie de 2eV (dans le rouge). La couche de nitrite de bore permet aux deux matériaux de travailler à l’unisson et de transformer en électricité la lumière incidente dans la partie du spectre comprise entre 1eV et 2eV.

Le sandwich de pérovskite et de nitrite de bore est placé au-dessus d’un gel léger de graphène qui enclenche la croissance de cristaux de pérovskite à granularité plus fine, sert de surcroît de barrière à l’humidité (laquelle détruit la pérovskite) et contribue à stabiliser le transport de charges à travers la cellule solaire. L’ensemble est borné au-dessous par une électrode d’or et au-dessus par une couche de nitrite de gallium qui collecte les électrons qui sont générés au sein de la cellule. La couche active de film mince de la cellule solaire est épaisse d’environ 400 nanomètres.

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Il est théoriquement possible d’ajouter des couches supplémentaires de pérovskite séparées par du nitrure de bore hexagonal, en particulier si l’on souhaite atteindre des rendements suffisants à la production commerciale. La performance et la flexibilité du système permettent aujourd’hui de penser qu’on pourrait atteindre des modalités de production de masse en électronique imprimée en utilisant une production en déroulé (roll-to-roll).


Rédacteur :
- Olivier Tomat, Expert Technique International, San Francisco, olivier.tomat@ambascience-usa.org ;
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Notes

[1Onur Ergen, S. Matt Gilbert, Thang Pham, Sally J. Turner, Mark Tian Zhi Tan, Marcus A. Worsley & Alex Zettl, Graded bandgap perovskite solar cells, Nature Materials (2016) doi:10.1038/nmat4795.