Une équipe de chercheurs du Royaume-Uni et du Japon a découvert que les minuscules défauts qui limitent l'efficacité des pérovskites - des matériaux alternatifs moins chers pour les cellules solaires - sont également responsables de changements structurels dans le matériau qui conduisent à la dégradation.

Les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques pour imiter le processus de vieillissement sous la lumière du soleil et observer les changements dans les matériaux à l'échelle nanométrique, les aidant à acquérir de nouvelles connaissances sur les matériaux, qui montrent également un potentiel pour les applications optoélectroniques telles que les LED éconergétiques et les rayons X. détecteurs, mais sont limités dans leur longévité.

Leurs résultats, rapportés dans la revue Nature , pourrait accélérer considérablement le développement de systèmes photovoltaïques à pérovskite durables et disponibles dans le commerce.

Les perovksites sont abondants et beaucoup moins chers à traiter que le silicium cristallin. Ils peuvent être préparés dans une encre liquide qui est simplement imprimée pour produire un film fin du matériau.

Alors que la production d'énergie globale des cellules solaires en pérovskite peut souvent atteindre ou, dans le cas des dispositifs "tandem" multicouches, dépasser celle réalisable avec le photovoltaïque au silicium traditionnel, la longévité limitée des dispositifs est un obstacle majeur à leur viabilité commerciale. /P>

Un panneau solaire en silicium typique, comme ceux que vous pourriez voir sur le toit d'une maison, dure généralement environ 20 à 25 ans sans perte de performances significative.

Étant donné que les dispositifs à pérovskite sont beaucoup moins chers à produire, ils n'ont peut-être pas besoin d'avoir une durée de vie aussi longue que leurs homologues en silicium pour pénétrer certains marchés. Mais pour réaliser leur potentiel ultime en réalisant une décarbonisation généralisée, les cellules devront fonctionner pendant au moins une décennie ou plus. Les chercheurs et les fabricants doivent encore développer un dispositif à pérovskite avec une stabilité similaire à celle des cellules en silicium.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Cambridge et de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) au Japon ont découvert le secret du traitement du "talon d'Achille" des pérovskites.

À l'aide d'une boîte à outils de techniques à haute résolution spatiale, en collaboration avec l'installation synchrotron Diamond Light Source et le centre d'imagerie des sciences physiques des électrons (ePSIC) à Didcot, et le département des sciences des matériaux et de la métallurgie à Cambridge, l'équipe a pu observer le les propriétés à l'échelle nanométrique de ces couches minces et leur évolution dans le temps sous l'éclairage solaire.

Des travaux antérieurs de l'équipe utilisant des techniques similaires ont mis en lumière les défauts qui entraînent des déficiences dans les performances des systèmes photovoltaïques à pérovskite, appelés pièges à porteurs.

"En illuminant les films de pérovskite au fil du temps, en simulant le vieillissement des dispositifs de cellules solaires, nous constatons que la dynamique la plus intéressante se produit au niveau de ces grappes de pièges nanoscopiques", a déclaré le co-auteur, le Dr Stuart Macpherson du laboratoire Cavendish de Cambridge.

"Nous savons maintenant que les changements que nous constatons sont liés à la photodégradation des films. Par conséquent, les pièges à porteurs limitant l'efficacité peuvent désormais être directement liés au problème tout aussi crucial de la longévité des cellules solaires."

"C'est assez excitant", a déclaré le co-auteur, le Dr Tiarnan Doherty, du département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge, et du Murray Edwards College, "car cela suggère que si vous pouvez vous attaquer à la formation de ces pièges de surface, vous améliorerez simultanément les performances et la stabilité des appareils dans le temps."

En ajustant la composition chimique et la façon dont le film de pérovskite se forme lors de la préparation des appareils, les chercheurs ont montré qu'il est possible de contrôler le nombre de ces phases néfastes qui se forment et, par extension, la durée de vie de l'appareil.

"Les dispositifs les plus stables semblent abaisser par hasard la densité des phases nuisibles grâce à de subtiles modifications de composition et de structure", a déclaré Doherty. "Nous espérons que cet article révélera une approche plus rationnelle et ciblée pour y parvenir et obtenir les appareils les plus performants fonctionnant avec une stabilité maximale."

Le groupe est convaincu que ses dernières découvertes nous rapprocheront encore des premiers dispositifs photovoltaïques à pérovskite disponibles dans le commerce.

"Les cellules solaires en pérovskite sont sur le point d'être commercialisées, les premières lignes de production produisant déjà des modules", a déclaré le Dr Sam Stranks du département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge, qui a dirigé la recherche.

"Nous comprenons maintenant que toute phase résiduelle indésirable - même de minuscules poches à l'échelle nanométrique résultant du traitement des cellules - sera une mauvaise nouvelle pour la longévité des cellules solaires à pérovskite. Les processus de fabrication doivent donc intégrer un réglage minutieux de la structure et de la composition sur une grande surface. pour éliminer toute trace de ces phases indésirables - un contrôle encore plus minutieux qu'on ne le pense généralement pour ces matériaux. Il s'agit d'un excellent exemple de science fondamentale guidant directement la fabrication à grande échelle."

"Il a été très satisfaisant de voir les approches que nous avons développées à l'OIST et à Cambridge au cours des dernières années fournir des visuels directs de ces minuscules phases résiduelles indésirables, et comment elles changent avec le temps", a déclaré le co-auteur, le Dr Keshav Dani. de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'OIST. "L'espoir demeure que ces techniques continueront à révéler les aspects limitant les performances des dispositifs photovoltaïques, alors que nous travaillons à l'étude des dispositifs opérationnels."

"Une autre force des dispositifs à pérovskite est qu'ils peuvent être fabriqués dans des pays où il n'y a pas d'infrastructure existante pour le traitement du silicium monocristallin", a déclaré Macpherson. "Les cellules solaires au silicium sont bon marché à long terme, mais nécessitent une mise de fonds initiale substantielle pour commencer le traitement. Mais pour les pérovskites, parce qu'elles peuvent être traitées et imprimées en solution si facilement, en utilisant beaucoup moins de matériau, vous supprimez ce coût initial. Elles offrent un une option viable pour les pays à revenu faible ou intermédiaire qui cherchent à passer à l'énergie solaire." + Explorer plus loin

Nouvelle feuille de route pour des cellules solaires plus performantes