Une photographie d'une cellule solaire tandem tout en pérovskite fabriquée par les chercheurs. Crédit :Lin et al.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Nanjing en Chine et de l'Université de Toronto au Canada a récemment fabriqué des cellules solaires tandem (PSC) tout en pérovskite, un type de cellule solaire avec un composant clé structuré en pérovskite. Ces nouvelles cellules solaires, présenté dans un article publié dans Énergie naturelle , ont atteint une efficacité remarquable, surpassant les autres solutions existantes.
"L'idée initiale de ce travail de recherche était de fabriquer des cellules solaires tandem tout en pérovskite qui pourraient être plus efficaces que les cellules solaires en pérovskite à simple jonction, " Hairen Tan, le chercheur principal de l'étude, a déclaré TechXplore.
Les pérovskites sont un groupe de minéraux qui ont la même structure cristalline que la pérovskite, un jaune, minéral brun ou noir constitué en grande partie de titanate de calcium. Au cours des dernières années, plusieurs équipes de recherche dans le monde ont tenté de développer des cellules solaires utilisant ce matériau, utilisant généralement des pérovskites à large bande interdite (~ 1,8 eV) ou à bande interdite étroite (~ 1,2 eV).
Fabrication de cellules solaires tandem tout pérovskite, combinant ainsi des pérovskites à large bande interdite et à bande interdite étroite, pourrait conduire à une efficacité de conversion de puissance (PCE) plus élevée que celle atteinte par les cellules à simple jonction sans augmenter les coûts de fabrication. Afin de construire ce nouveau type de cellule solaire, cependant, les chercheurs doivent trouver un moyen d'améliorer les performances de chaque sous-cellule, tout en intégrant également les cellules à large bande interdite et à bande interdite étroite de manière synergique.
"Malheureusement, Les cellules solaires à pérovskite à bande interdite étroite mixte Pb-Sn précédemment signalées ont présenté de faibles rendements (PCE ~ 18-20 pour cent) et de faibles densités de courant de court-circuit (J
La principale raison des faibles performances observées dans les cellules solaires à pérovskite à bande interdite étroite développées précédemment est que l'un de leurs composants clés, connu sous le nom de Sn 2+ , s'oxyde facilement en Sn 4+ . Par conséquent, le film cellulaire résultant présente des densités de pièges élevées et de courtes longueurs de diffusion des porteurs. Dans leur étude, Tan et ses collègues ont voulu identifier des solutions qui pourraient aider à surmonter cette limitation.
"Notre objectif principal dans ce travail est d'initier une stratégie pour élargir la diffusion des cellules solaires à pérovskite à bande interdite étroite et ainsi obtenir des cellules solaires en tandem plus performantes, " Tan a dit. " Les vacances de Sn sont généralement causées par l'incorporation de Sn 4+ (un produit de Sn 2+ oxydation) dans les pérovskites mixtes Pb-Sn. Nous avons estimé qu'une nouvelle stratégie pour empêcher l'oxydation de Sn 2+ dans la solution de précurseur pourrait considérablement améliorer la longueur de diffusion des porteurs de charge."
Tan et ses collègues ont introduit une nouvelle approche chimique qui pourrait finalement améliorer les performances des PSC. Cette approche est basée sur une réaction de comproportionation qui conduit à des progrès substantiels dans les longueurs de diffusion des porteurs de charge des pérovskites mixtes Pb-Sn à bande interdite étroite.
Les approches proposées précédemment sont toutes caractérisées par des longueurs de diffusion submicrométriques, ce qui peut nuire à l'efficacité globale de la cellule. Dans leur travail, d'autre part, Tan et ses collègues ont atteint une longueur de diffusion de 3 µm; un résultat remarquable qui permet aux cellules Pb-Sn de battre des records de performances et aux cellules tandem tout pérovskite.
« Nous y sommes parvenus en développant une stratégie de solution de précurseurs réduits en étain qui renvoie le Sn 4+ (un produit d'oxydation de Sn 2+ ) retour à Sn 2+ via une réaction de dosage dans la solution de précurseur, " expliqua Tan.
L'oxydation des pérovskites contenant de l'étain a été un problème crucial pour le développement de cellules solaires avec un composant pérovskite, car cela peut affecter négativement leurs performances et ainsi entraver leur application dans une variété de contextes. La nouvelle approche chimique introduite par Tan et ses collègues offre une voie alternative pour la fabrication de cellules solaires en tandem à l'aide de pérovskite à bande interdite étroite contenant de l'étain, ce qui conduit à des cellules plus stables et efficaces.
« Nos travaux mettent également en évidence que la qualité électronique des pérovskites contenant de l'étain peut être comparable à celle des pérovskites aux halogénures de plomb qui ont démontré une efficacité similaire aux cellules en silicium cristallin, " Tan a ajouté. " Nous n'avons aucun doute que notre approche en tandem nous offrira enfin une avenue à très bon marché, appareils solaires pourtant très efficaces."
Dans leur étude, Tan et ses collègues ont utilisé leur approche chimique pour fabriquer des cellules tandem monolithiques entièrement en pérovskite, puis ont testé leurs performances. Ils ont découvert que leurs cellules tandem obtenaient des PCE certifiés indépendants impressionnants de 24,8 % pour les appareils de petite surface (0,049 cm 2 ) et 22,1 % pour les appareils à grande surface (1,05 cm 2 ).
De plus, les cellules ont conservé 90 pour cent de leurs performances après avoir fonctionné pendant plus de 400 heures à leur point de puissance maximum sous un éclairage complet du soleil. À l'avenir, l'approche introduite par cette équipe de chercheurs pourrait éclairer le développement d'appareils solaires plus efficaces et rentables.
« Nous prévoyons maintenant d'améliorer encore l'efficacité de conversion de puissance des cellules solaires tandem tout en pérovskite au-delà de 28 %, " Tan a déclaré. "La première façon possible d'y parvenir sera de réduire la perte de tension photovoltaïque dans la cellule solaire à pérovskite à large bande interdite. Une autre possibilité est de réduire les pertes optiques dans la jonction de recombinaison à effet tunnel."
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