Une équipe de recherche de l'Université Brown a fait un grand pas vers l'amélioration de la fiabilité à long terme des cellules solaires à pérovskite, une technologie émergente d'énergie propre. Dans une étude à paraître vendredi, 7 mai dans le journal Science , l'équipe fait la démonstration d'une "colle moléculaire" qui empêche la dégradation d'une interface clé à l'intérieur des cellules. Le traitement augmente considérablement la stabilité et la fiabilité des cellules dans le temps, tout en améliorant l'efficacité avec laquelle ils convertissent la lumière du soleil en électricité.

« Il y a eu de grands progrès dans l'augmentation de l'efficacité de conversion d'énergie des cellules solaires à pérovskite, " dit Nitin Padture, professeur d'ingénierie à l'Université Brown et auteur principal de la nouvelle recherche. "Mais le dernier obstacle à franchir avant que la technologie ne soit largement disponible est la fiabilité, c'est-à-dire la fabrication de cellules qui maintiennent leurs performances dans le temps. C'est l'une des choses sur lesquelles mon groupe de recherche a travaillé, et nous sommes heureux d'annoncer des progrès importants."

Les pérovskites sont une classe de matériaux avec une structure atomique cristalline particulière. Il y a un peu plus d'une décennie, les chercheurs ont montré que les pérovskites sont très bonnes pour absorber la lumière, qui a déclenché un flot de nouvelles recherches sur les cellules solaires à pérovskite. L'efficacité de ces cellules a augmenté rapidement et rivalise désormais avec celle des cellules traditionnelles au silicium. La différence est que les absorbeurs de lumière pérovskite peuvent être fabriqués à une température proche de la pièce, alors que le silicium doit être cultivé à partir d'un bain à une température approchant 2, 700 degrés Fahrenheit. Les films de pérovskite sont également environ 400 fois plus minces que les plaquettes de silicium. La relative facilité des processus de fabrication et l'utilisation de moins de matériaux signifient que les cellules à pérovskite peuvent être potentiellement fabriquées à une fraction du coût des cellules au silicium.

Alors que les améliorations d'efficacité dans les pérovskites ont été remarquables, Padture dit, rendre les cellules plus stables et fiables est resté un défi. Une partie du problème est liée à la stratification requise pour créer une cellule fonctionnelle. Chaque cellule contient cinq couches distinctes ou plus, chacun remplissant une fonction différente dans le processus de production d'électricité. Étant donné que ces couches sont faites de différents matériaux, ils réagissent différemment aux forces extérieures. Aussi, les changements de température qui se produisent pendant le processus de fabrication et pendant le service peuvent provoquer l'expansion ou la contraction de certaines couches plus que d'autres. Cela crée des contraintes mécaniques aux interfaces des couches qui peuvent provoquer le découplage des couches. Si les interfaces sont compromises, les performances de la cellule s'effondrent.

La plus faible de ces interfaces est celle entre le film de pérovskite utilisé pour absorber la lumière et la couche de transport d'électrons, qui maintient le courant circulant dans la cellule.

"Une chaîne n'est aussi solide que son maillon le plus faible, et nous avons identifié cette interface comme la partie la plus faible de l'ensemble de la pile, où l'échec est le plus probable, " dit Padture, qui dirige l'Institute for Molecular and Nanoscale Innovation à Brown. « Si nous pouvons renforcer cela, alors nous pouvons commencer à apporter de réelles améliorations en termes de fiabilité."

Pour faire ça, Padture s'est appuyé sur son expérience de scientifique des matériaux, développer des revêtements céramiques avancés utilisés dans les moteurs d'avion et d'autres applications hautes performances. Lui et ses collègues ont commencé à expérimenter avec des composés connus sous le nom de monocouches auto-assemblées ou SAM.

"Il s'agit d'une grande classe de composés, " Dit Padture. " Lorsque vous déposez ceux-ci sur une surface, les molécules s'assemblent en une seule couche et se dressent comme des poils courts. En utilisant la bonne formulation, vous pouvez former des liens solides entre ces composés et toutes sortes de surfaces différentes."

Padture et son équipe ont découvert qu'une formulation de SAM avec un atome de silicium d'un côté, et l'atome d'iode de l'autre, pourrait former des liaisons fortes à la fois avec la couche de transport des élections (qui est généralement constituée d'oxyde d'étain) et la couche absorbant la lumière en pérovskite. L'équipe espérait que les liaisons formées par ces molécules pourraient fortifier l'interface des couches. Et ils avaient raison.

« Quand nous avons introduit les SAM dans l'interface, nous avons constaté qu'il augmente la ténacité à la rupture de l'interface d'environ 50 %, ce qui signifie que les fissures qui se forment à l'interface ont tendance à ne pas se propager très loin, " dit Padture. " Donc en effet, les SAM deviennent une sorte de colle moléculaire qui maintient les deux couches ensemble."

Les tests de fonctionnement des cellules solaires ont montré que les SAM augmentaient considérablement la durée de vie fonctionnelle des cellules pérovskites. Les cellules non SAM préparées pour l'étude ont conservé 80 % de leur efficacité initiale pendant environ 700 heures de tests en laboratoire. Pendant ce temps, les cellules SAM étaient encore fortes après 1, 330 heures de tests. Sur la base de ces expériences, les chercheurs prévoient que la durée de vie à 80 % d'efficacité conservée est d'environ 4 ; 000 heures.

"L'une des autres choses que nous avons faites, ce que les gens ne font pas normalement, est-ce que nous avons cassé les cellules après le test, " dit Zhenghong Dai, un doctorant Brown et premier auteur de la recherche. "Dans les cellules témoins sans SAM, nous avons vu toutes sortes de dommages tels que des vides et des fissures. Mais avec les SAM, les interfaces renforcées avaient l'air vraiment bien. C'était une amélioration spectaculaire qui nous a vraiment choqués."

Surtout, Padture a dit, l'amélioration de la ténacité ne s'est pas faite au détriment de l'efficacité de la conversion de puissance. En réalité, les SAM ont en fait amélioré l'efficacité de la cellule d'une petite quantité. Cela s'est produit parce que les SAM ont éliminé les minuscules défauts moléculaires qui se forment lorsque les deux couches se lient en l'absence de SAM.

"La première règle pour améliorer l'intégrité mécanique des appareils fonctionnels est "ne pas nuire, '", a déclaré Padture. "Afin que nous puissions améliorer la fiabilité sans perdre en efficacité - et même améliorer l'efficacité - a été une bonne surprise."

Les SAM eux-mêmes sont fabriqués à partir de composés facilement disponibles et sont facilement appliqués avec un processus de revêtement par immersion à température ambiante. Ainsi, l'ajout de SAM n'ajouterait potentiellement que peu au coût de production, dit Padture.

Les chercheurs prévoient de s'appuyer sur ce succès. Maintenant qu'ils ont fortifié le maillon le plus faible de la pile solaire à pérovskite, ils aimeraient passer au prochain plus faible, puis le suivant et ainsi de suite jusqu'à ce qu'ils aient fortifié toute la pile. Ce travail consistera à renforcer non seulement les interfaces, mais aussi les couches matérielles elles-mêmes. Récemment, Le groupe de recherche de Padture a remporté une subvention de 1,5 million de dollars du département américain de l'Énergie pour étendre ses recherches.

"C'est le genre de recherche qui est nécessaire pour fabriquer des cellules peu coûteuses, efficace et performant pendant des décennies, " dit Padture.