Une équipe de chercheurs de la faculté des sciences appliquées et de génie de l'Université de Toronto a tiré parti de la mécanique quantique pour optimiser la couche active d'un dispositif connu sous le nom de cellule solaire à pérovskite inversée, une technologie qui pourrait un jour aboutir à des cellules solaires grand public qui coûtent cher. une fraction de ceux actuellement sur le marché.

À l'heure actuelle, pratiquement toutes les cellules solaires commerciales sont fabriquées à partir de silicium de haute pureté, dont la production nécessite une énergie considérable. Mais des chercheurs du monde entier expérimentent des technologies solaires alternatives qui pourraient être fabriquées et installées avec moins d'énergie et à moindre coût.

L'une de ces alternatives, qui est étudiée dans le laboratoire du groupe Sargent, est connue sous le nom de pérovskite. La puissance des matériaux pérovskites provient de leur structure cristalline unique, qui leur permet d'absorber la lumière en une couche très fine et de la convertir efficacement en électricité.

"Les cristaux de pérovskite sont fabriqués à partir d'une encre liquide et appliqués sur des surfaces à l'aide d'une technologie déjà bien établie dans l'industrie, telle que l'impression rouleau à rouleau", explique Hao Chen, chercheur postdoctoral au laboratoire de Sargent et l'un des quatre co -auteurs principaux d'un nouvel article publié dans Nature Photonics .

« Pour cette raison, les cellules solaires en pérovskite ont le potentiel d'être produites en masse à un coût énergétique bien inférieur à celui du silicium. Le défi est qu'actuellement, les cellules solaires en pérovskite sont en retard sur les cellules en silicium traditionnelles. Dans cette étude, nous avons cherché à combler cet écart. "

Chen, avec ses co-auteurs principaux—Ph.D. le candidat Sam Teale et les chercheurs postdoctoraux Bin Chen et Yi Hou—utilisent une stratégie basée sur une structure de cellule solaire inversée.

Dans la plupart des prototypes de cellules solaires à pérovskite, les électrons sortent par une électrode négative au niveau de la couche inférieure de la cellule, les "trous" qu'ils laissent derrière eux sortent par une électrode positive en haut.

L'inversion de cet arrangement permet l'utilisation de techniques de fabrication alternatives et des recherches antérieures ont montré que celles-ci peuvent améliorer la stabilité de la couche de pérovskite. Mais le changement a un coût en termes de performances.

"Il est difficile d'obtenir un bon contact entre la couche de pérovskite et l'électrode supérieure", explique Chen. "Pour résoudre ce problème, les chercheurs insèrent généralement une couche de passivation constituée de molécules organiques. Cela fonctionne très bien dans l'orientation traditionnelle, car les" trous "peuvent traverser cette couche de passivation. Mais les électrons sont bloqués par cette couche, donc lorsque vous inversez le cellule, cela devient un gros problème."

L'équipe a surmonté cette limitation en tirant parti de la mécanique quantique - le principe physique qui énonce que le comportement des matériaux à de très petites échelles de longueur est différent de ce qui est observé à des échelles plus grandes.

"Dans nos prototypes de cellules solaires, les pérovskites sont confinées à une couche extrêmement mince - seulement un à trois cristaux de hauteur", explique Teale. "Cette forme bidimensionnelle nous permet d'accéder aux propriétés associées à la mécanique quantique. Nous pouvons contrôler, par exemple, quelles longueurs d'onde de lumière les pérovskites absorbent ou comment les électrons se déplacent dans la couche."

L'équipe a d'abord utilisé une technique chimique établie par d'autres groupes pour produire une surface de pérovskite bidimensionnelle au sommet de leur cellule solaire. Cela a permis à la couche de pérovskite de réaliser la passivation par elle-même, éliminant complètement le besoin de la couche organique.

Pour surmonter l'effet de blocage des électrons, l'équipe a augmenté l'épaisseur de la couche de pérovskite d'un cristal de hauteur à trois. Des simulations informatiques avaient montré que ce changement modifierait suffisamment le paysage énergétique pour permettre aux électrons de s'échapper dans un circuit externe, une prédiction confirmée en laboratoire.

L'efficacité de conversion de puissance des cellules de l'équipe a été mesurée à 23,9 %, un niveau qui ne s'est pas estompé après 1 000 heures de fonctionnement à température ambiante. Même lorsqu'ils sont soumis à un processus de vieillissement accéléré standard de l'industrie à des températures allant jusqu'à 65 °C, les performances n'ont diminué que de 8 % après plus de 500 heures d'utilisation.

Les travaux futurs se concentreront sur l'augmentation de la stabilité des cellules, y compris à des températures encore plus élevées. L'équipe aimerait également construire des cellules avec une plus grande surface, car les cellules actuelles ne mesurent qu'environ cinq millimètres carrés.

Pourtant, les résultats actuels sont de bon augure pour l'avenir de cette technologie solaire alternative.

"Dans notre article, nous comparons nos prototypes aux cellules solaires à pérovskite traditionnelles et inversées qui ont été récemment publiées dans la littérature scientifique", explique Teale.

"La combinaison de haute stabilité et de haute efficacité que nous avons obtenue se démarque vraiment. Nous devons également garder à l'esprit que la technologie de la pérovskite n'a que quelques décennies, alors que le silicium a été travaillé pendant 70 ans. Il y a encore beaucoup d'améliorations à faire. viens." + Explorer plus loin

Les points quantiques améliorent l'efficacité et l'évolutivité des cellules solaires en pérovskite