Cellules photovoltaïques (PV), qui peut générer de l'énergie à partir du soleil, pourrait être très utile pour faire face à la crise environnementale actuelle. Cellules PV pérovskites, cellules en semi-conducteurs pérovskites aux halogénures métalliques, se sont récemment révélées particulièrement prometteuses, comme les chercheurs ont réussi à améliorer considérablement leur efficacité de conversion de puissance, de 3,8% jusqu'à 25,2%.

Leurs efficacités remarquables font des pérovskites un concurrent de premier plan dans le développement de la prochaine génération de technologies photovoltaïques traitables à basse température. Les cellules PV à pérovskite peuvent avoir deux archétypes de conception principaux :la structure dite régulière (n-i-p) et la structure inversée (p-i-n). Jusque là, les cellules avec une structure régulière ont atteint les rendements de conversion de puissance les plus élevés, tandis que ceux avec une structure inversée ont atteint des temps de fonctionnement beaucoup plus longs.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies King Abdullah (KAUST) et de l'Université de Toronto ont récemment réussi à réduire l'écart d'efficacité précédemment observé entre les cellules photovoltaïques à pérovskite à structure régulière et celles à structure inversée. Leur papier, Publié dans Énergie naturelle , introduit une nouvelle stratégie de conception qui leur a permis de fabriquer des cellules solaires inversées avec de longues durées de vie et des rendements de conversion de puissance de 22,3 %.

« Des appareils photovoltaïques en pérovskite avec les rendements les plus élevés, qui sont basés sur la structure régulière, doivent incorporer des dopants ioniques dans leurs matériaux de transport de trous, " Xiaopeng Zheng, l'un des chercheurs impliqués dans l'étude, a déclaré TechXplore. "En se débarrassant de ces dopants instables, Les dispositifs photovoltaïques inversés ont contribué aux progrès de la stabilité opérationnelle de la technologie. Malheureusement, les rendements de conversion de puissance du PV à pérovskite inversé sont nettement inférieurs à ceux des appareils structurés classiques (20,9 % contre 25,2 %)."

Selon Zheng, pour que les technologies PV pérovskites aient un réel impact commercial et environnemental, les chercheurs devront d'abord s'assurer qu'ils excellent à la fois dans leur stabilité opérationnelle et leur efficacité de conversion de puissance. La stratégie de conception qu'il a développée en collaboration avec ses collègues de la KAUST et de l'Université de Toronto pourrait aider à y parvenir en améliorant les propriétés structurelles et optoélectroniques des matériaux pérovskites qui sont généralement utilisés pour fabriquer des dispositifs photovoltaïques.

Zheng et ses collègues ont ajouté une trace de ligands alkylamine (AAL) d'ancrage en surface avec différentes longueurs de chaîne à leur matériau pérovskite. Cela leur a permis de modifier certaines propriétés du matériau, conduisant à des rendements de conversion de puissance plus élevés que ceux généralement observés dans les cellules solaires photovoltaïques à pérovskite à structure inversée.

« Nous avons constaté que seule une trace d'alkylamine pendant le traitement était suffisante pour modifier les propriétés du matériau pérovskite des manières avantageuses suivantes :(i) favoriser l'orientation des grains cristallins ; (ii) supprimer la densité de l'état de piège ; (iii) réduire le porteur de charge recombinaison non radiative (ie perte), ainsi que l'amélioration des mobilités des porteurs et des longueurs de diffusion ; (iv) inhiber la migration des ions dans la pérovskite, " Yi Hou, un autre chercheur impliqué dans l'étude, a déclaré TechXplore.

Les films de pérovskite à surface modifiée AAL utilisés par Zheng, Hou et leurs collègues présentent une orientation (100) et une densité d'états de piège sensiblement inférieure par rapport aux films non modifiés. Ils présentent également des mobilités de porteurs et des longueurs de diffusion améliorées, qui se traduisent par des appareils avec une efficacité de conversion de puissance stabilisée certifiée de 22,3%.

"Les PV pérovskites sont une technologie jeune et ils ont encore de la marge pour améliorer leur stabilité pour se rapprocher d'autres technologies PV bien établies, tels que le c-Si et les films minces à base inorganique, " Ted Sargent, un autre chercheur impliqué dans l'étude, a déclaré TechXplore. "Nous avons considérablement réduit l'écart d'efficacité entre les appareils inversés et les appareils ordinaires en utilisant seulement des traces d'alkylamine comme modificateurs de grain et d'interface."

Les chercheurs ont découvert que les cellules solaires à pérovskite créées à l'aide de leur approche peuvent fonctionner pendant plus de 1, 000h au point de puissance maximum sous un éclairage AM1.5 simulé, sans aucune perte d'efficacité. À l'avenir, la stratégie de conception qu'ils ont introduite pourrait rapprocher les matériaux pérovskites des conditions exigeantes requises pour la commercialisation des cellules solaires.

"Pour la prochaine étape de nos recherches, nous étudierons les moyens de produire des PV de pérovskite, pour réaliser des appareils de grande surface sans compromettre les performances et la fiabilité élevées, " Osman Bakr, un autre des chercheurs impliqués dans l'étude, a déclaré TechXplore.

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