Les chercheurs ont mis au point une nouvelle façon de fabriquer des films de pérovskite pour les cellules solaires. La technique est particulièrement bien adaptée à la réalisation de films ultra-minces semi-transparents, ce qui pourrait être utile pour le photovoltaïque de fenêtre. Les cellules peuvent également être réalisées en différentes couleurs. Crédit :Laboratoire Padture/Université Brown
Recherche dirigée par un doctorat de l'Université Brown. Un étudiant a révélé une nouvelle façon de fabriquer des films de pérovskite absorbant la lumière pour une utilisation dans les cellules solaires.
La nouvelle méthode implique un bain de solvant à température ambiante pour créer des cristaux de pérovskite, plutôt que le souffle de chaleur utilisé dans les méthodes de cristallisation actuelles. Une étude publiée dans la Royal Society of Chemistry's Journal de la chimie des matériaux A montre que la technique produit des films cristallins de haute qualité avec un contrôle précis de l'épaisseur sur de grandes surfaces, et pourrait ouvrir la voie à des méthodes de production de masse pour les cellules pérovskites.
Pérovskites, une classe de matériaux cristallins, ont fait beaucoup de bruit dans le monde de l'énergie propre. Les films de pérovskite sont d'excellents absorbeurs de lumière et sont beaucoup moins chers à fabriquer que les plaquettes de silicium utilisées dans les cellules solaires standard. L'efficacité des cellules à pérovskite - le pourcentage de lumière solaire convertie en électricité - a augmenté à un rythme effarant en quelques années seulement. Les premières cellules à pérovskite introduites en 2009 n'ont atteint qu'une efficacité d'environ 4 %, loin de l'efficacité de 25 pour cent vanté par les cellules de silicium standard. Mais l'année dernière, les cellules à pérovskite avaient été certifiées comme ayant une efficacité de plus de 20 pour cent. Cette amélioration rapide des performances est prometteuse, et les chercheurs se précipitent pour commencer à utiliser des cellules pérovskites dans des produits commerciaux.
Il y a plusieurs façons de faire des films, mais presque tous ont besoin de chaleur. Les précurseurs chimiques de la pérovskite sont dissous dans une solution, qui est ensuite appliqué sur un substrat. De la chaleur est appliquée pour éliminer le solvant, laissant les cristaux de pérovskite se former en un film à travers le substrat.
"Les gens ont fait de bons films sur des zones relativement petites - une fraction d'un centimètre carré environ. Mais ils ont dû aller à des températures de 100 à 150 degrés Celsius, et que le processus de chauffage pose un certain nombre de problèmes, " dit Nitin Padture, professeur d'ingénierie et directeur de l'Institute for Molecular and Nanoscale Innovation.
Par exemple, les cristaux se forment souvent de manière inégale lorsqu'ils sont traités thermiquement, laissant de minuscules trous d'épingle dans le film. Dans une cellule solaire, ces trous d'épingle peuvent réduire l'efficacité. La chaleur limite également les substrats sur lesquels les films peuvent être déposés. Substrats plastiques souples, par exemple, ne peuvent pas être utilisés car ils sont endommagés par des températures élevées.
Les chercheurs ont mis au point une nouvelle façon de fabriquer des films de pérovskite pour les cellules solaires. La technique implique un bain à température ambiante plutôt qu'un souffle de chaleur, comme cela est requis dans la plupart des autres techniques. Cela pourrait faciliter la production de masse. Crédit :Padture Lab / Université Brown
Yuanyuan Zhou, un étudiant diplômé du laboratoire de Padture, voulait voir s'il existait un moyen de fabriquer des films minces en cristal de pérovskite sans avoir à appliquer de chaleur. Il a proposé ce qu'on appelle une approche d'extraction solvant-solvant (ESS).
Dans sa méthode, les précurseurs de pérovskite sont dissous dans un solvant appelé NMP et déposés sur un substrat. Puis, au lieu de chauffer, le substrat est baigné dans l'éther diéthylique (DEE), un second solvant qui attrape sélectivement le solvant NMP et l'élimine. Ce qui reste est un film ultra-lisse de cristaux de pérovskite.
Parce qu'il n'y a pas de chauffage impliqué, les cristaux peuvent être formés sur pratiquement n'importe quel substrat, même les substrats polymères thermosensibles utilisés dans le photovoltaïque flexible. Un autre avantage est que l'ensemble du processus de cristallisation SSE prend moins de deux minutes, comparé à une heure ou plus pour le traitement thermique. Cela rend le processus plus propice à la production de masse, car il peut être effectué dans une sorte de processus de chaîne de montage.
L'approche SSE permet également de réaliser des films très fins tout en conservant une haute qualité. Les films de pérovskite standard ont généralement une épaisseur de l'ordre de 300 nanomètres. Mais Zhou a été capable de fabriquer des films de haute qualité aussi fins que 20 nanomètres. Les films SSE pourraient également être agrandis - plusieurs centimètres carrés - sans générer de trous d'épingle.
"En utilisant les autres méthodes, lorsque l'épaisseur devient inférieure à 100 nanomètres, vous pouvez difficilement couvrir complètement le film, " dit Zhou. " Tu peux faire un film, mais vous obtenez beaucoup de trous d'épingle. Dans notre processus, vous pouvez former le film uniformément jusqu'à 20 nanomètres car la cristallisation à température ambiante est beaucoup plus équilibrée et se produit immédiatement sur tout le film lors du bain."
Ces films ultra-minces sont partiellement transparents (les films d'épaisseur standard sont noirs et opaques), afin qu'ils puissent être utilisés pour faire des fenêtres photovoltaïques, disent les chercheurs. Et en ajustant la composition de la solution de précurseur de pérovskite, Zhou a été capable de fabriquer des cellules de différentes couleurs.
« Ceux-ci pourraient potentiellement être utilisés à des fins décoratives, des fenêtres intégrées au bâtiment qui peuvent produire de l'électricité, " dit Padture.
Le groupe prévoit de faire plus de travail pour affiner le processus, mais ils sont encouragés par les premiers résultats. En collaboration avec des scientifiques du National Renewable Energy Laboratory du Colorado, les tests initiaux des cellules fabriquées avec des films SSE ont montré une efficacité de conversion de plus de 15 pour cent. Les cellules solaires basées sur des films semi-transparents de 80 nanomètres fabriqués à l'aide de ce procédé se sont avérées avoir une efficacité supérieure à celle de tout autre film ultra-mince.
"Nous pensons que cela pourrait être une étape importante vers une variété de produits cellulaires de pérovskite disponibles dans le commerce, " dit Padture.
