Les cellules photovoltaïques à pérovskites (PSC) sont à la pointe de l’innovation dans le secteur de l’énergie solaire. Elles suscitent un grand intérêt en raison de leur rendement de conversion de puissance et de leur fabrication rentable. Mais avant de pouvoir commercialiser les PSC, il faudrait parvenir à la fois à un rendement élevé et à une stabilité à long terme, notamment dans des conditions environnementales difficiles.
La solution réside dans l’interaction entre les couches de PSC, qui s’est avérée être une arme à double tranchant. Les couches peuvent améliorer les performances des cellules mais aussi les dégrader trop rapidement pour une utilisation régulière dans la vie quotidienne.
Grâce à leur collaboration, les laboratoires de Michael Grätzel à l’EPFL et d’Edward Sargent à l’Université Northwestern ont accompli une avancée majeure en concevant des PSC d’une stabilité record et d’un rendement de conversion de puissance supérieur à 25%, relevant ainsi deux des défis les plus urgents dans le secteur de l’énergie solaire. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature.
Les chercheuses et chercheurs se sont intéressés à la conception de PSC inversées, qui se sont déjà révélées prometteuses en termes de stabilité opérationnelle. Ils ont inséré une «monocouche conforme auto-assemblée sur des substrats texturés», c’est-à-dire une couche unique de molécules qui recouvre spontanément et uniformément la surface irrégulière d’un substrat texturé.
Cette nouvelle conception élimine le problème d’«agglomération moléculaire», qui survient lorsque les molécules s’agglutinent au lieu de se répartir uniformément. Lorsque ce phénomène se produit sur les surfaces texturées des cellules photovoltaïques, les performances de celles-ci peuvent être sensiblement altérées.
Pour éviter cela, les chercheuses et chercheurs ont introduit une molécule spéciale appelée acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) dans la monocouche auto-assemblée (SAM) des cellules photovoltaïques, formée d’une couche moléculaire d’acides phosphoniques remplacés par du carbazole, qui extrait sélectivement les porteurs de charge positive («trous») produits sous l’effet de l’illumination sur les films de pérovskite.
Cependant, cette fonction est compromise par l’agrégation des molécules PAC. L’ajout de la molécule 3-MPA améliore le contact entre le matériau pérovskite et le substrat texturé de la cellule photovoltaïque afin d’optimiser les performances et la stabilité, ce qui permet de désagréger les grappes moléculaires de carbazole et d’assurer une répartition plus homogène des molécules dans la monocouche auto-assemblée. Grâce à cet ajout, les molécules sur la surface de la cellule photovoltaïque se répartissent de manière plus uniforme, ce qui permet d’éviter les amas problématiques et d’améliorer la stabilité et le rendement des PSC.
La nouvelle conception a permis d’améliorer l’absorption de la lumière tout en minimisant les pertes d’énergie à l’interface entre les couches, ce qui a entraîné un rendement de conversion de puissance impressionnant de 25,3%, chiffre mesuré en laboratoire. En termes de stabilité, les PSC inversées ont présenté une résistance remarquable. Le dispositif a conservé 95% de ses performances maximales même après avoir été soumis à des conditions sévères – une température de 65°C et une humidité relative de 50% pendant plus de 1 000 heures. Un tel niveau de stabilité, associé à un rendement aussi élevé, est sans précédent dans le domaine des PSC.
Cette conception révolutionnaire représente une avancée majeure dans la commercialisation des PSC. L’élimination des problèmes de rendement et de stabilité, combinée à des coûts de fabrication inférieurs à ceux des cellules photovoltaïques actuelles, peut aboutir à un déploiement à grande échelle. Ce nouveau procédé peut également aller au-delà des cellules photovoltaïques et profiter à d’autres dispositifs optoélectroniques nécessitant une gestion efficace de la lumière, tels que les LED et les photodétecteurs.
Université de Toronto, Université de Pékin, Université du Kentucky, Université de Caroline du Nord
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