Des cellules solaires en pérovskite atteignent un rendement de 21,1%

Les cellules solaires en pérovskite sont très prometteuses en termes d'énergie solaire rentable. Toutefois, la stabilité thermique pose problème. Il a été résolu en mélangeant des matériaux en pérovskite avec du césium inorganique, de manière à améliorer la stabilité thermique et structurelle de la cellule solaire. Avec cette approche, les scientifiques de l'EPFL ont réussi à développer une cellule solaire en pérovskite contenant du césium qui a atteint un rendement de 21,1%, ainsi qu'un niveau record de reproductibilité. Ce travail est publié dans Energy and Environmental Science.

La recherche a été effectuée par le laboratoire de Michael Grätzel à l'EPFL, qui avait déjà obtenu un rendement de 20,2% plus tôt en 2016. Cette fois-ci, ils se sont mis à la tâche pour régler le problème de la stabilité thermique, qui peut limiter de manière significative le rendement d'une cellule solaire à long terme.

En raison de leur énorme potentiel pour l'avenir du photovoltaïque, les cellules solaires en pérovskite font l'objet d'une intense recherche, et la stabilité thermique a été atteinte par l'addition de césium. Mais cela pose deux problèmes: D'une part, le pérovskite allié au césium inorganique-halogénure de plomb (CsPbBr₃) n'offre pas une bande interdite idéale pour le photovoltaïque. Cela signifie qu'il exige trop d'énergie pour exciter des électrons liés, suffisamment pour les libérer afin qu'ils puissent s'écouler sous forme de courant électrique.

Le second problème avec le césium est qu'à température ambiante, il forme des cristaux qui ne répondent pas à la lumière. En fait, le mélange de césium n'est stable qu'à des températures supérieures à 300°C.

En conséquence, le composé de pérovskite pur prête le flanc à des instabilités thermiques ou structurelles. Mais la phase de pérovskite de CsPbI₃ offre une bande interdite plus adaptée, et comme telle, elle fait l'objet d'une investigation en profondeur. Une approche, appelée «méthode antisolvant», recourt à un mélange de cations et d'halogénures.

Dans l'étude de l'EPFL, conduite par le post-doctorant Michael Saliba, les chercheurs ont utilisé pour la première fois un mélange composé d'un triple cation (Cs/MA/FA). Les nouveaux films sont plus stables sur le plan thermique, et moins affectés par les variables fluctuantes d'environnement, telles que la température, les vapeurs de solvants ou le protocole de chauffage utilisé pour le dispositif. Mais plus important, ils attestent de rendements de conversion stabilisés de 21,1%, et des taux de sortie de 18% dans des conditions opérationnelles, même au-delà de 250 heures.

«C'est une percée absolue» dit Michael Saliba. «Ces propriétés sont décisives en vue de la commercialisation de photovoltaïque à pérovskites, particulièrement dans la mesure où la reproductibilité et la stabilité sont les principales exigences d'une production rentable et à grande échelle de cellules solaires à pérovskite.»

Cette étude résulte d'une collaboration des laboratoires suivants de l'EPFL: Laboratoire de photonique et interfaces, Laboratoire des sciences photomoléculaires, Groupe pour la génie moléculaire des matériaux fonctionnels et Panasonic Corporation.

Le projet a été financé par le septième programme-cadre de recherche et de développement technologique de l'Union européenne, le SNSF-NanoTera (SYNERGY) et l'Office fédéral suisse de l'énergie (SYNERGY), le CCEM-CH, et le King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST).

Source

Saliba M, Matsui T, Seo J-Y, Domanski K, Correa-Baena J-P, Nazeeruddin MK, Zakeeruddin SM, Tress W, Abate A, Hagfeldt A, Grätzel M. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency.Energy and Environmental Science 16 March 2016. DOI: 10.1039/C5EE03874J