Une approche synthétique développée par les chercheurs de KAUST génère des cristaux homogènes et sans défaut qui pourraient accélérer la commercialisation des cellules solaires à pérovskite.

« Les cellules solaires à pérovskite sont le type de technologie photovoltaïque qui se développe le plus rapidement, avec des rendements de conversion d'énergie passant de 3,8 % en 2009 à 24,2 % en 2019 pour les appareils à jonction unique, " dit Osman Bakr, qui a dirigé l'étude avec Omar Mohammed. Cette augmentation rapide des performances est associée à une fabrication de dispositif simple et peu coûteuse, ce qui rend ces cellules solaires commercialement attrayantes.

Les performances et la stabilité des cellules solaires dépendent de la morphologie des couches minces de pérovskite, qui agissent comme des couches de collecte de lumière dans les appareils. Outre leur faible coût et leur facilité de traitement, ces matériaux ont des propriétés optiques et de transport exceptionnelles. Des pérovskites hybrides à base de plomb qui associent un cation méthylammonium à plusieurs halogénures, telles que les formes anioniques du brome et de l'iode, présentent une bande interdite optique étroite et réglable. Cette bande interdite se rapproche de la valeur théorique requise pour atteindre l'efficacité de conversion maximale pour une cellule solaire à simple jonction. Par conséquent, Les perokskites pourraient devenir un substitut de choix pour les matériaux solaires à base de silicium.

Cependant, les cellules solaires à pérovskite existantes sont généralement constituées de films minces polycristallins très désordonnés et défectueux, ce qui empêche les appareils d'atteindre des performances optimales.

Pour résoudre ce problème, Bakr et Mohammed ont maintenant produit un rapport d'aspect élevé, films monocristallins de pérovskites de triiodure de plomb et de méthylammonium. Ils y sont parvenus en commençant la cristallisation entre deux substrats revêtus de polymère qui restreindraient ensuite physiquement la croissance cristalline à une dimension sous chauffage.

Par rapport à leurs homologues polycristallins, Les pérovskites monocristallines présentent une densité de défauts sensiblement plus faible et des longueurs de diffusion des porteurs de charge beaucoup plus élevées :il s'agit d'une mesure de leur capacité à maintenir les électrons générés par la lumière séparés des trous chargés positivement et à créer un courant électrique. Par conséquent, "Nous avons pensé que ces monocristaux offrent une chance à la technologie des cellules solaires à pérovskite de surmonter ces limitations et de se rapprocher le plus possible de la limite d'efficacité théorique, " dit Mohammed.

Les cristaux, qui présentait une épaisseur de 20 micromètres et une surface de plusieurs millimètres carrés, a fourni des cellules solaires de haute qualité avec une efficacité de conversion de puissance maximale de 21,09 %. Ces appareils établissent un nouveau record de performance pour les cellules solaires monocristallines à pérovskite.

"Nous avons été agréablement surpris par ces résultats, " dit Bakr. Il ajoute que les chercheurs ont d'abord pensé qu'ils auraient besoin de faire pousser des cristaux beaucoup plus minces que 20 micromètres pour atteindre cette performance, et la croissance de cristaux minces est extrêmement difficile.

Les chercheurs pensent que cette efficacité record met en évidence le rôle potentiel des monocristaux dans le développement de dispositifs contenant de la pérovskite en parallèle avec le chemin emprunté par leurs homologues polycristallins.