Une équipe internationale de chercheurs universitaires rapporte aujourd'hui avoir résolu un défi de fabrication majeur pour les cellules à pérovskite, les challengers potentiels intrigants des cellules solaires à base de silicium.

Ces structures cristallines sont très prometteuses car elles peuvent absorber presque toutes les longueurs d'onde de la lumière. Les cellules solaires à pérovskite sont déjà commercialisées à petite échelle, mais les grandes améliorations récentes de leur efficacité de conversion d'énergie (PCE) suscitent l'intérêt de les utiliser comme alternatives à faible coût pour les panneaux solaires.

Dans l'article de couverture publié en ligne aujourd'hui pour le 28 juin, numéro 2018 de Nanoéchelle , une publication de la Royal Society of Chemistry, l'équipe de recherche révèle un nouveau moyen évolutif d'appliquer un composant critique aux cellules de pérovskite pour résoudre certains défis majeurs de fabrication. Les chercheurs ont pu appliquer la couche critique de transport d'électrons (ETL) dans les cellules photovoltaïques à pérovskite d'une nouvelle manière - le revêtement par pulvérisation - pour imprégner l'ETL d'une conductivité supérieure et d'une forte interface avec son voisin, la couche de pérovskite.

La recherche est dirigée par André D. Taylor, professeur agrégé au département de génie chimique et biomoléculaire de la NYU Tandon School of Engineering, avec Yifan Zheng, le premier auteur de l'article et un chercheur de l'Université de Pékin. Les co-auteurs sont de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, Université de Yale, et l'Université Johns Hopkins.

La plupart des cellules solaires sont des « sandwichs » de matériaux stratifiés de telle manière que lorsque la lumière frappe la surface de la cellule, il excite les électrons dans un matériau chargé négativement et établit un courant électrique en déplaçant les électrons vers un réseau de « trous » chargés positivement. Dans les cellules solaires à pérovskite avec une orientation planaire simple appelée p-i-n (ou n-i-p lorsqu'elle est inversée), la pérovskite constitue la couche intrinsèque de piégeage de la lumière (le "i" dans p-i-n) entre l'ETL chargée négativement et une couche de transport de trous chargée positivement (HTL).

Lorsque les couches chargées positivement et négativement sont séparées, l'architecture se comporte comme un jeu subatomique de Pachinko dans lequel les photons d'une source lumineuse délogent les électrons instables de l'ETL, les faisant tomber vers le côté HTL positif du sandwich. La couche de pérovskite accélère ce flux. Alors que la pérovskite constitue une couche intrinsèque idéale en raison de sa forte affinité à la fois pour les trous et les électrons et son temps de réaction rapide, la fabrication à l'échelle commerciale s'est avérée difficile en partie parce qu'il est difficile d'appliquer efficacement une couche ETL uniforme sur la surface cristalline de la pérovskite.

Les chercheurs ont choisi le composé [6, L'ester méthylique de l'acide 6]-phényl-C(61)-butyrique (PCBM) en raison de ses antécédents en tant que matériau ETL et parce que le PCBM appliqué dans une couche rugueuse offre la possibilité d'une conductivité améliorée, contact d'interface moins pénétrable, et un meilleur piégeage de la lumière. "Très peu de recherches ont été effectuées sur les options ETL pour la conception planaire p-i-n, " a déclaré Taylor. " Le principal défi dans les cellules planaires est, comment les assemblez-vous réellement de manière à ne pas détruire les couches adjacentes ?"

La méthode la plus courante est le spin casting, ce qui implique de faire tourner la cellule et de laisser la force centripète disperser le fluide ETL sur le substrat de pérovskite. Mais cette technique est limitée aux petites surfaces et se traduit par une couche incohérente qui diminue les performances de la cellule solaire. Le moulage par centrifugation est également inimitable pour la production commerciale de grands panneaux solaires par des méthodes telles que la fabrication rouleau à rouleau, pour laquelle l'architecture de pérovskite planaire flexible p-i-n est par ailleurs bien adaptée.

Les chercheurs se sont plutôt tournés vers le revêtement par pulvérisation, qui applique l'ETL uniformément sur une grande surface et convient à la fabrication de grands panneaux solaires. Ils ont signalé un gain d'efficacité de 30 % par rapport aux autres ETL, d'un PCE de 13 % à plus de 17 %, et moins de défauts. « Notre approche est concise, hautement reproductible, et évolutif. Cela suggère que le revêtement par pulvérisation du PCBM ETL pourrait avoir un large attrait pour améliorer l'efficacité de base des cellules solaires à pérovskite et fournir une plate-forme idéale pour les cellules solaires à pérovskite p-i-n record dans un avenir proche. »