Une simple solution de potassium pourrait augmenter l'efficacité des cellules solaires de nouvelle génération, en leur permettant de convertir plus de lumière solaire en électricité.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université de Cambridge a découvert que l'ajout d'iodure de potassium « guérissait » les défauts et immobilisait le mouvement des ions, qui à ce jour ont limité l'efficacité des cellules solaires à pérovskite bon marché. Ces cellules solaires de nouvelle génération pourraient être utilisées comme couche d'amélioration de l'efficacité au-dessus des cellules solaires existantes à base de silicium, ou être transformé en cellules solaires autonomes ou en LED colorées. Les résultats sont publiés dans le journal La nature .

Les cellules solaires de l'étude sont basées sur des pérovskites aux halogénures métalliques - un groupe prometteur de matériaux semi-conducteurs ioniques qui, en seulement quelques années de développement, rivalisent désormais avec les technologies photovoltaïques commerciales à couche mince en termes d'efficacité de conversion de la lumière solaire en électricité. Les pérovskites sont bon marché et faciles à produire à basse température, ce qui les rend attrayantes pour les cellules solaires et l'éclairage de nouvelle génération.

Malgré le potentiel des pérovskites, certaines limitations ont entravé leur efficacité et leur cohérence. De minuscules défauts dans la structure cristalline des pérovskites, appelés pièges, peut provoquer le « coincement » des électrons avant que leur énergie ne puisse être exploitée. Plus les électrons peuvent se déplacer facilement dans un matériau de cellule solaire, plus ce matériau sera efficace pour convertir les photons, particules de lumière, en électricité. Un autre problème est que les ions peuvent se déplacer dans la cellule solaire lorsqu'ils sont illuminés, ce qui peut provoquer une modification de la bande interdite - la couleur de la lumière absorbée par le matériau.

"Jusque là, nous n'avons pas été en mesure de rendre ces matériaux stables avec la bande interdite dont nous avons besoin, nous avons donc essayé d'immobiliser le mouvement des ions en modifiant la composition chimique des couches de pérovskite, " a déclaré le Dr Sam Stranks du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a dirigé la recherche. "Cela permettrait d'utiliser les pérovskites comme cellules solaires polyvalentes ou comme LED colorées, qui sont essentiellement des cellules solaires fonctionnant à l'envers.

Dans l'étude, les chercheurs ont modifié la composition chimique des couches de pérovskite en ajoutant de l'iodure de potassium aux encres de pérovskite, qui s'auto-assemblent ensuite en films minces. La technique est compatible avec les procédés roll-to-roll, ce qui signifie qu'il est évolutif et peu coûteux. L'iodure de potassium a formé une couche « décorative » au-dessus de la pérovskite qui a eu pour effet de « réparer » les pièges afin que les électrons puissent se déplacer plus librement, en plus d'immobiliser le mouvement des ions, ce qui rend le matériau plus stable à la bande interdite souhaitée.

Les chercheurs ont démontré des performances prometteuses avec les bandes interdites de pérovskite idéales pour la superposition d'une cellule solaire en silicium ou avec une autre couche de pérovskite - les cellules solaires en tandem. Les cellules solaires en tandem au silicium sont probablement la première application généralisée des pérovskites. En ajoutant une couche de pérovskite, la lumière peut être récoltée plus efficacement à partir d'une gamme plus large du spectre solaire.

"Le potassium stabilise les bandes interdites de pérovskite que nous voulons pour les cellules solaires tandem et les rend plus luminescentes, ce qui signifie des cellules solaires plus efficaces, " dit Stranks, dont la recherche est financée par l'Union européenne et le programme Horizon 2020 du Conseil européen de la recherche. "Il gère presque entièrement les ions et les défauts des pérovskites."

"Nous avons constaté que les pérovskites sont très tolérantes aux additifs - vous pouvez ajouter de nouveaux composants et ils fonctionneront mieux, " a déclaré le premier auteur Mojtaba Abdi-Jalebi, un doctorant au Laboratoire Cavendish qui est financé par Nava Technology Limited. "Contrairement aux autres technologies photovoltaïques, nous n'avons pas besoin d'ajouter une couche supplémentaire pour améliorer les performances, l'additif est simplement mélangé à l'encre pérovskite."

Les dispositifs pérovskite et potassium ont montré une bonne stabilité dans les tests, et étaient efficaces à 21,5% pour convertir la lumière en électricité, qui est similaire aux meilleures cellules solaires à base de pérovskite et pas loin en dessous de la limite d'efficacité pratique des cellules solaires à base de silicium, qui est (29%). Les cellules tandem constituées de deux couches de pérovskite avec des bandes interdites idéales ont une limite d'efficacité théorique de 45% et une limite pratique de 35% - toutes deux supérieures aux limites d'efficacité pratiques actuelles pour le silicium. "Vous obtenez plus de puissance pour votre argent, " dit Stranks.