Les cellules solaires sont des dispositifs qui absorbent les photons de la lumière du soleil et convertissent leur énergie pour déplacer des électrons, permettant la production d'énergie propre et fournissant une voie fiable pour aider à lutter contre le changement climatique. Mais la plupart des cellules solaires largement utilisées aujourd'hui sont épaisses, fragile et raide, ce qui limite leur application aux surfaces planes et augmente le coût de fabrication de la cellule solaire.

Les « cellules solaires à couche mince » pourraient être 1/100e de l'épaisseur d'un morceau de papier et suffisamment flexibles pour habiller des surfaces allant d'une voiture aérodynamiquement élégante aux vêtements. Pour fabriquer des cellules solaires à couche mince, les scientifiques vont au-delà des composés semi-conducteurs "classiques", tels que l'arséniure de gallium ou le silicium, et travailler à la place avec d'autres composés de récolte de lumière qui ont le potentiel d'être moins chers et plus faciles à produire en masse. Les composés pourraient être largement adoptés s'ils pouvaient fonctionner aussi bien que la technologie d'aujourd'hui.

Dans un article publié en ligne ce printemps dans la revue Photonique de la nature , Des scientifiques de l'Université de Washington rapportent qu'un prototype de couche mince de semi-conducteur a été encore plus performant que les meilleurs matériaux de cellules solaires d'aujourd'hui pour émettre de la lumière.

« Cela peut sembler étrange puisque les cellules solaires absorbent la lumière et la transforment en électricité, mais les meilleurs matériaux de cellules solaires sont également excellents pour émettre de la lumière, " a déclaré Hugh Hillhouse, co-auteur et professeur de génie chimique à l'UW, qui est également membre du corps professoral du Clean Energy Institute et du Molecular Engineering &Sciences Institute de l'UW. "En réalité, généralement plus ils émettent de la lumière efficacement, plus ils génèrent de tension."

L'équipe UW a réalisé une performance record dans ce matériau, connu sous le nom de pérovskite aux halogénures de plomb, en le traitant chimiquement par un procédé connu sous le nom de « passivation de surface, " qui traite les imperfections et réduit la probabilité que les photons absorbés finissent par être gaspillés plutôt que convertis en énergie utile.

"Un gros problème avec les cellules solaires à pérovskite est que trop de lumière solaire absorbée finissait sous forme de chaleur gaspillée, pas d'électricité utile, " a déclaré le co-auteur David Ginger, professeur de chimie à l'UW et scientifique en chef à la CEI. « Nous espérons que des stratégies de passivation de surface comme celle-ci contribueront à améliorer les performances et la stabilité des cellules solaires à pérovskite. »

Les équipes de Ginger et Hillhouse ont travaillé ensemble pour démontrer que la passivation de surface des pérovskites a considérablement augmenté les performances à des niveaux qui feraient de ce matériau l'un des meilleurs pour les cellules solaires à couche mince. Ils ont expérimenté une variété de produits chimiques pour la passivation de surface avant d'en trouver un, un composé organique connu sous son acronyme TOPO, qui a augmenté les performances de la pérovskite à des niveaux approchant les meilleurs semi-conducteurs à l'arséniure de gallium.

"Notre équipe à l'UW a été l'une des premières à identifier des défauts limitant les performances à la surface des matériaux pérovskites, et maintenant nous sommes ravis d'avoir découvert un moyen efficace de concevoir chimiquement ces surfaces avec des molécules TOPO, " a déclaré le co-auteur principal Dane deQuilettes, un chercheur postdoctoral au Massachusetts Institute of Technology qui a mené cette recherche en tant que doctorant en chimie à l'UW. "En premier, nous avons été vraiment surpris de constater que les matériaux passivés semblaient être aussi bons que l'arséniure de gallium, qui détient le record d'efficacité des cellules solaires. Alors pour revérifier nos résultats, nous avons conçu quelques approches différentes pour confirmer les améliorations de la qualité des matériaux pérovskites."

DeQuilettes et le co-auteur principal Ian Braly, qui a mené cette recherche en tant que doctorant en génie chimique, ont montré que le traitement TOPO d'un semi-conducteur pérovskite avait un impact significatif sur ses efficacités quantiques de photoluminescence interne et externe - des mesures utilisées pour déterminer la capacité d'un matériau semi-conducteur à utiliser l'énergie d'un photon absorbé plutôt que de la perdre sous forme de chaleur. Le traitement TOPO de la pérovskite a multiplié par dix l'efficacité quantique de la photoluminescence interne, passant de 9,4 % à près de 92 %.

"Nos mesures observant l'efficacité avec laquelle les pérovskites hybrides passivées absorbent et émettent de la lumière montrent qu'il n'y a pas de défauts matériels inhérents empêchant d'autres améliorations des cellules solaires, " dit Braly. " Plus loin, en ajustant les spectres d'émission à un modèle théorique, nous avons montré que ces matériaux pouvaient générer des tensions 97 pour cent du maximum théorique, égal au record du monde de cellules solaires à l'arséniure de gallium et bien supérieur au record de cellules au silicium qui n'atteignent que 84 pour cent. »

Ces améliorations de la qualité des matériaux devraient théoriquement permettre à l'efficacité de conversion de la lumière en électricité d'atteindre 27,9% sous des niveaux d'ensoleillement normaux, ce qui pousserait le record photovoltaïque à base de pérovskite au-delà des meilleurs dispositifs au silicium.

La prochaine étape pour les pérovskites, les chercheurs ont dit, est de démontrer une passivation chimique similaire qui est compatible avec des électrodes faciles à fabriquer, ainsi que d'expérimenter d'autres types de passivation de surface.

« Les pérovskites ont déjà démontré un succès sans précédent dans les dispositifs photovoltaïques, mais il y a tellement de place pour d'autres améliorations, " a déclaré deQuilettes. " Ici, nous pensons que nous avons ouvert la voie à la communauté pour mieux exploiter l'énergie du soleil. "