Des chercheurs de la University of Toronto Engineering et de la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) ont surmonté un obstacle majeur en combinant la technologie émergente de récolte solaire des pérovskites avec l'étalon-or commercial :les cellules solaires au silicium. Le résultat est une cellule solaire tandem très efficace et stable, l'un des plus performants rapportés à ce jour.

"Aujourd'hui, les cellules solaires au silicium sont plus efficaces et moins coûteuses que jamais, " dit le professeur Ted Sargent, auteur principal sur un nouvel article publié aujourd'hui dans Science . "Mais il y a des limites à l'efficacité du silicium seul. Nous nous efforçons de surmonter ces limites en utilisant une approche en tandem (à deux couches)."

Comme le silicium, les cristaux de pérovskite peuvent absorber l'énergie solaire pour exciter les électrons qui peuvent être canalisés dans un circuit. Mais contrairement au silicium, Les pérovskites peuvent être mélangées à du liquide pour créer une « encre solaire » pouvant être imprimée sur des surfaces.

L'approche de fabrication à base d'encre - connue sous le nom de traitement de solution - est déjà bien établie dans l'industrie de l'impression, et a donc le potentiel de réduire le coût de fabrication des cellules solaires.

"Ajouter une couche de cristaux de pérovskite sur du silicium texturé pour créer une cellule solaire en tandem est un excellent moyen d'améliorer ses performances, " dit Yi Hou, stagiaire postdoctoral et auteur principal du nouvel article. "Mais la norme actuelle de l'industrie est basée sur des plaquettes - de fines feuilles de silicium cristallin - qui n'ont pas été conçues avec cette approche à l'esprit."

Bien qu'ils puissent sembler lisses, les plaquettes de silicium standard utilisées pour les cellules solaires présentent de minuscules structures pyramidales d'environ deux micromètres de haut. La surface inégale minimise la quantité de lumière qui se reflète sur la surface du silicium et augmente l'efficacité globale, mais rend également difficile l'application d'une couche uniforme de pérovskites sur le dessus.

"La plupart des cellules tandem précédentes ont été fabriquées en polissant d'abord la surface du silicium pour la rendre lisse, puis en ajoutant la couche de pérovskite, " dit Hou. " Ça marche, mais à des frais supplémentaires."

Hou et le reste de l'équipe, y compris Sargent et le professeur KAUST Stefaan De Wolf, ont adopté une approche différente. Ils ont augmenté l'épaisseur de la couche de pérovskite, le rendant suffisamment haut pour couvrir à la fois les pics et les vallées créés par les structures pyramidales.

L'équipe a découvert que les pérovskites dans les vallées généraient un champ électrique qui sépare les électrons générés dans la couche de pérovskite de ceux générés dans la couche de silicium. Ce type de séparation de charge est bénéfique car il augmente les chances que des charges excitées s'écoulent dans le circuit plutôt que dans d'autres parties de la cellule.

L'équipe a encore amélioré la séparation des charges en recouvrant les cristaux de pérovskite d'une « couche de passivation » constituée de 1-butanethiol, un produit chimique industriel commun.

Les cellules solaires en tandem ont atteint un rendement de 25,7%, comme certifié par un indépendant, laboratoire externe, l'Institut Fraunhofer pour l'énergie solaire à Fribourg, Allemagne. Il s'agit de l'une des efficacités les plus élevées jamais signalées pour ce type de conception. Ils étaient également stables, résister à des températures allant jusqu'à 85 degrés Celsius pendant plus de 400 heures sans perte significative de performances.

"Le fait qu'on puisse faire tout ça sans modifier le silicium en fait une solution drop-in, " dit Hou. " L'industrie peut appliquer cela sans avoir à apporter des modifications coûteuses à leurs processus existants. "

Hou et l'équipe continuent de travailler sur des améliorations à la conception, y compris l'augmentation de la stabilité jusqu'à 1, 000 heures, une référence de l'industrie.

"Nous sommes très fiers de la performance record que cette collaboration a pu atteindre, Mais ce n'est que le début, " dit Hou. " En surmontant une limitation clé des cellules solaires en tandem, nous avons préparé le terrain pour des gains encore plus importants."

"Notre approche ouvre la porte à l'industrie du silicium-photovoltaïque pour exploiter pleinement les grandes avancées de la technologie de la pérovskite jusqu'à présent, ", déclare De Wolf. "Cela peut mettre sur le marché des panneaux photovoltaïques plus performants à faible coût."