Des chercheurs de l'Université de Tokai rapportent dans Lettres nano une étude systématique des effets de l'utilisation de différentes formes d'oxyde de titane dans des cellules solaires à pérovskite planaires sur les performances des appareils.

Cellules solaires pérovskites, avec une efficacité de conversion de puissance maximale actuelle de 23 %, sont très prometteurs pour produire de l'énergie photovoltaïque grâce à des dispositifs faciles et peu coûteux à fabriquer. Les cellules planaires sont composées d'une couche constituée d'un matériau de récolte de lumière avec une structure qui porte le nom de pérovskite et qui est souvent un matériau hybride organique-inorganique. Dans cette couche, la lumière absorbée génère des porteurs de charge, électron et trous, qui sont ensuite collectés, respectivement, dans une couche de transport d'électrons et dans un matériau de transport de trous, qui prend en sandwich la couche de pérovskite. Ces deux couches sont à leur tour recouvertes d'électrodes, dont l'un est transparent pour laisser entrer la lumière dans l'appareil. L'amélioration des performances de chacun de ces éléments est importante pour maximiser l'efficacité de la cellule solaire.

Md Shahiduzzaman, Masao Isomura, Koji Tomita et ses collègues de l'université Tokai ont concentré leur attention en particulier sur la couche de transport d'électrons. Le matériau de choix pour ce composant est souvent l'oxyde de titane, dont la structure électronique permet de collecter facilement les électrons de la couche de pérovskite. L'oxyde de titane a plusieurs polymorphes cristallins dont l'anatase, brookite, et rutile. Ils ont des structures et des propriétés différentes et leurs morphologies distinctes influencent la qualité de la couche de pérovskite, ainsi le choix du polymorphe influence les performances globales de la cellule solaire, et comprendre cette influence est important pour optimiser l'efficacité des appareils. Dans ce travail, les auteurs se sont concentrés sur les formes anatase et brookite de l'oxyde de titane. Anatase est bon marché, transparent et facile à intégrer dans la cellule solaire et est donc un choix courant pour la couche de transport d'électrons, mais la brookite a des propriétés électroniques prometteuses qui pourraient conduire à une meilleure efficacité de la cellule solaire, et n'a pas encore été largement exploré.

Les auteurs ont utilisé une technique à basse température et respectueuse de l'environnement pour préparer des nanoparticules de brookite hautement conductrices et monocristallines qu'ils ont utilisées pour produire des couches hétérophasiques de transport d'électrons anatase-brookite et brookite-anatase. ainsi que des couches à base d'anatase et de brookite monophasiques. Pour comparer les performances des différentes couches de transport d'électrons, les chercheurs ont mesuré leur morphologie, caractéristiques optiques et structurelles, évalué l'interface entre les couches et la pérovskite, et enfin mesuré les performances des cellules solaires résultantes.

Ils ont constaté que l'utilisation de brookite monophasée entraînait une efficacité énergétique de 14,92 pour cent, la plus haute performance signalée à ce jour pour ce type de couche de transport d'électrons. Les couches hétérophasiques ont donné des performances allant jusqu'à 16,82 % pour la phase anatase-brookite. Comme le commentent les auteurs, "Le présent travail présente une stratégie efficace permettant de développer des couches de transport d'électrons à jonction hétérophasique et de manipuler la bande d'énergie interfaciale pour améliorer davantage les performances des cellules solaires à pérovskite planaires et permettre la fabrication propre et écologique d'une production de masse à faible coût. "

Cellules solaires planaires à pérovskite

D'un côté de la cellule solaire se trouve la première électrode, un oxyde conducteur transparent, typiquement de l'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) ou de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO), suivi d'une couche de transport d'électrons. Au-dessus, il y a la couche absorbant la lumière en matériau pérovskite, un matériau de formule chimique ABX3, où A et B indiquent deux ions chargés positivement, et X un ion chargé négativement -, puis un matériau de transport de trous et enfin la deuxième électrode, qui est généralement fait d'or, argent ou carbone. La couche de transport d'électrons n'est pas toujours présente, mais il facilite le transport des électrons jusqu'à l'électrode et améliore ainsi généralement l'efficacité et la stabilité du dispositif.

Efficacité de la conversion d'énergie et comment elle est mesurée

L'efficacité de conversion d'énergie est la fraction de la puissance incidente du soleil qui est convertie en électricité. Les conditions dans lesquelles l'efficacité est mesurée doivent être soigneusement contrôlées, parce que l'efficacité ne dépend pas seulement des propriétés de la cellule solaire, mais aussi sur le spectre et l'intensité de la lumière solaire incidente et sur la température. Dans le laboratoire, les cellules solaires sont testées à 25 °C en tenant compte du fait que la lumière du soleil est atténuée par l'atmosphère avant d'atteindre la surface de la terre (techniquement, il est dit qu'un coefficient de masse d'air de 1,5, AM1.5, est utilisé).