Améliorer la stabilité des cellules solaires en pérovskite

Les pérovskites hybrides sont des matériaux constitués de structures d'halogénures métalliques entremêlées de cations organiques. Elles ont suscité beaucoup d'intérêt dans le domaine de l'énergie solaire en raison de leur capacité à capter la lumière et de leur faible coût de fabrication, ce qui fait des cellules solaires à pérovskite (PSC) des candidats de choix pour remplacer les dispositifs actuels à base de silicium. Les pérovskites présentent également un grand potentiel dans toute une série d'applications, notamment les lampes LED, les lasers et les photodétecteurs.

L'un des obstacles à la commercialisation des cellules solaires en pérovskite est leur stabilité opérationnelle, qui les désavantage par rapport aux technologies photovoltaïques déjà sur le marché. Ce problème se pose en particulier pour les pérovskites à halogénures mixtes, qui sont des matériaux idéaux pour les cellules solaires tandem et les LED à émission réglable, car ils combinent une grande flexibilité de composition avec des performances optoélectroniques.

Les pérovskites à halogénures mixtes présentent également de larges bandes interdites, une propriété qui influe sur l'énergie nécessaire à un matériau photovoltaïque pour produire de l'électricité. Mais dans la plupart des pérovskites à halogénures mixtes, la lumière peut provoquer un phénomène appelé "ségrégation de la phase halogénure", où les ingrédients se "démêlent" en régions de teneur en halogénures différente. Cette ségrégation peut entraîner d'importants problèmes de rendement pendant la durée de vie opérationnelle d'une cellule solaire. Sa résolution est donc essentielle pour le succès de la technologie des pérovskites, en particulier pour les cellules solaires à configuration dite tandem, où des pérovskites à large bande interdite et à halogénures mixtes sont généralement utilisées en combinaison avec une deuxième pérovskite à faible bande interdite ou une cellule en silicium.

Une équipe de chercheurs de la Faculté des sciences de base de l'EPFL a mis au point une méthode qui améliore à la fois l'efficacité de la conversion de l'énergie et la stabilité des cellules solaires à base d'iodure pur et de pérovskites à halogénure mixte, tout en supprimant la ségrégation de la phase halogénure dans ces dernières. La recherche a été menée par les groupes des professeurs Michael Grätzel et Ursula Rothlisberger à l'EPFL, sous la direction du Dr Essa A. Alharbi et du Dr Lukas Pfeifer.

La méthode traite les PSC avec deux modulateurs à base d'halogénure d'alkylammonium qui agissent en synergie pour améliorer les performances des cellules solaires. Les modulateurs ont été utilisés comme passivateurs, des composés utilisés pour atténuer les défauts dans les pérovskites, qui autrement favorisent les voies de dégradation susmentionnées.

Dans cette étude, les chercheurs ont pu utiliser les deux modulateurs pour arrêter la ségrégation des halogénures et ainsi réduire considérablement les baisses d'efficacité de conversion de l'énergie observées lors de l'utilisation à long terme des PSC.

Cette nouvelle approche a permis d'obtenir des rendements de conversion de l'énergie de 24,9 % pour une composition de pérovskite (α-FAPbI₃ ) et de 21,2 % pour l'autre (FA₆₅ MA₃₅ Pb(I₆₅ Br₃₅ )₃ ). Environ 90% et 80% des rendements initiaux ont été conservés après 1200 et 250 heures de fonctionnement continu, respectivement. Les auteurs écrivent : "En abordant la question critique de la stabilité, nos résultats représentent une étape importante vers des applications pratiques à grande échelle des PSC."

Autres contributeurs

• Laboratoire de science photomoléculaire de l'EPFL
• Laboratoire de résonance magnétique de l'EPFL