Bien que les cellules solaires à pérovskite soient plus efficaces et moins coûteuses que les cellules solaires au silicium traditionnelles, la pérovskite était jusqu’à présent limitée par son manque de stabilité à long terme. Généralement, les cellules solaires à pérovskite utilisent une couche de revêtement à base d’ammonium pour améliorer leur efficacité. Bien qu’efficaces, les couches à base d’ammonium se dégradent sous l’effet des contraintes environnementales, telles que la chaleur et l’humidité.
Des scientifiques de l’Université Northwestern (États-Unis) ont développé un nouveau revêtement protecteur plus robuste, à base d’amidinium, qui prolonge considérablement la durée de vie des cellules solaires à pérovskite, les rendant plus pratiques pour des applications en dehors du laboratoire.
Lors d’expériences, le nouveau revêtement s’est révélé dix fois plus résistant à la décomposition que les revêtements conventionnels à base d’ammonium. Mieux encore : les cellules recouvertes d’amidinium ont également triplé leur durée de vie T90, soit le temps qu’il faut pour que l’efficacité d’une cellule chute de 90 % par rapport à sa valeur initiale lorsqu’elle est exposée à des conditions difficiles.
« Nous travaillons depuis longtemps sur la stabilité des cellules solaires à pérovskite. » déclare Bin Chen de Northwestern, qui a codirigé l’étude. “ Jusqu’à présent, la plupart des rapports se concentrent sur l’amélioration de la stabilité du matériau pérovskite lui-même, sans tenir compte des couches protectrices. En améliorant la couche protectrice, nous avons pu augmenter les performances globales des cellules solaires. »
« Ce travail aborde l’un des principaux obstacles à l’adoption généralisée des cellules solaires à pérovskite : la stabilité dans des conditions réelles. a déclaré Mercouri Kanatzidis de Northwestern, qui a codirigé l’étude. ” En renforçant chimiquement les couches protectrices, nous avons considérablement amélioré la durabilité de ces cellules sans compromettre leur efficacité exceptionnelle, nous rapprochant ainsi d’une alternative pratique et peu coûteuse aux cellules photovoltaïques à base de silicium. »
Utilisé depuis des décennies, le silicium est le matériau le plus couramment utilisé pour la couche absorbant la lumière des cellules solaires. Bien que le silicium soit durable et fiable, il est coûteux à produire et son efficacité approche de son plafond. À la recherche d’une cellule solaire moins coûteuse et plus efficace, les chercheurs ont récemment commencé à explorer les pérovskites, une famille de composés cristallins.
Bien qu’elle s’avère prometteuse en tant qu’alternative rentable au silicium, la pérovskite a une durée de vie relativement courte. L’exposition prolongée au soleil, les fluctuations extrêmes de température, l’humidité sont autant de facteurs qui provoquent la dégradation des cellules solaires en pérovskite dans le temps.
Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont ajouté des ligands amidinium, des molécules stables qui peuvent interagir avec la pérovskite pour fournir une passivation des défauts et des effets protecteurs de longue durée. Les molécules à base d’ammonium ont un atome d’azote entouré de trois atomes d’hydrogène et d’un groupe contenant du carbone, tandis que les molécules à base d’amidinium comprennent un atome de carbone central lié à deux groupes amino. Parce que leur structure permet aux électrons de se répartir uniformément, les molécules d’amidinium sont plus résilientes dans des conditions difficiles.
« La plupart des cellules solaires à pérovskite modernes contiennent généralement des ligands d’ammonium comme couche de passivation. “, explique M. Lequel. “ Mais l’ammonium a tendance à se décomposer sous l’effet de la chaleur. Nous avons fait de la chimie pour convertir l’ammonium instable en amidinium plus stable ».
Les chercheurs ont effectué cette conversion grâce à un processus connu sous le nom d’amidination, dans lequel le groupe ammonium est remplacé par un groupe amidinium plus stable. Cette innovation a permis d’empêcher la dégradation des cellules pérovskites au fil du temps, notamment lorsqu’elles sont exposées à une chaleur extrême.
La cellule solaire résultante a atteint une rendement impressionnant de 26,3%ce qui signifie qu’il a réussi à convertir 26,3 % de la lumière solaire absorbée en électricité. La cellule solaire à revêtement a également conservé 90 % de son efficacité initiale après 1 100 heures de tests dans des conditions difficiles, démontrant une durée de vie du T90 trois fois plus longue qu’auparavant lorsqu’elle est exposée à la chaleur et à la lumière.
Ces expériences sont le dernier exemple d’amélioration des performances des cellules solaires à pérovskite dans le laboratoire Sargent. En 2022, l’équipe de M. Sargent a développé une cellule solaire à pérovskite qui a battu des records d’efficacité énergétique et de tension. En 2023, son équipe a présenté une cellule solaire à pérovskite à structure inversée, qui a également amélioré son efficacité énergétique. Plus tôt cette année, le groupe de Sargent a incorporé des cristaux liquides pour minimiser les défauts des films de pérovskite, améliorant ainsi les performances du dispositif.
« Les cellules solaires à pérovskite peuvent contribuer à la décarbonisation de l’approvisionnement en électricité une fois que nous aurons finalisé leur conception, atteint l’union de la performance et de la durabilité et mis à l’échelle les appareils. a déclaré M. Sargent, qui dirige l’Institut Paula M. Trienens pour le développement durable et l’énergie. ” Le principal obstacle à la commercialisation des cellules solaires à pérovskite est leur stabilité à long terme. Mais du fait de son avance de plusieurs décennies, le silicium conserve un avantage dans certains domaines, notamment en matière de stabilité. Nous travaillons à combler cet écart. »
Cette recherche est directement liée au pilier Generate, l’un des six piliers de décarbonation de l’Institut Trienens. Dans le cadre de ce pilier, Northwestern s’engage à créer une nouvelle classe de production d’énergie solaire en se concentrant sur les cellules solaires multijonctions à haut rendement et les matériaux de cellules solaires de nouvelle génération. M. Kanatzidis est le coprésident de la faculté pour ce pilier et M. Chen est le responsable de la mise en œuvre.
L’étude, intitulée « L’amidination de ligands pour la passivation chimique et à effet de champ stabilise les cellules solaires à pérovskite », a été soutenu par First Solar, le ministère du Commerce, l’Institut national des normes et de la technologie et le ministère américain de l’Énergie.
Légende de l’illustration : Yi Yang, premier auteur de l’étude, teste un échantillon de la nouvelle cellule solaire de l’équipe dans le laboratoire de l’Université Northwestern. Crédit : Université Northwestern
Article : ‘L’amidination de ligands pour la passivation chimique et à effet de champ stabilise les cellules solaires à pérovskite’ / ( 10.1126/science.adr2091 ) – Northwestern University – Publication dans la revue Science
