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Un nouveau type de technologie solaire semble prometteur ces dernières années. Les cellules solaires aux halogénures et à la pérovskite sont à la fois très performantes et peu coûteuses pour produire de l’énergie électrique – deux ingrédients nécessaires au succès de toute technologie solaire du futur. Mais les nouveaux matériaux pour les cellules solaires devraient également égaler la stabilité des cellules solaires à base de silicium, qui offrent plus de 25 ans de fiabilité.
Dans une recherche récemment publiée, une équipe dirigée par Juan-Pablo Correa-Baena, professeur adjoint à l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux de Georgia Tech, montre que les cellules solaires aux halogénures pérovskites sont moins stables qu'on ne le pensait auparavant. Leurs travaux révèlent l'instabilité thermique qui se produit dans les couches d'interface des cellules, mais offrent également une voie à suivre vers la fiabilité et l'efficacité de la technologie solaire aux halogénures pérovskites. Leurs recherches, publiées en couverture de la revueMatériaux avancésen décembre 2022, a des implications immédiates pour les universitaires et les professionnels de l'industrie travaillant avec les pérovskites dans le photovoltaïque, un domaine concerné par les courants électriques générés par la lumière du soleil.
Les cellules solaires aux halogénures de plomb et à la pérovskite promettent une conversion supérieure de la lumière solaire en énergie électrique. Actuellement, la stratégie la plus courante pour obtenir une efficacité de conversion élevée de ces cellules consiste à traiter leurs surfaces avec de gros ions chargés positivement appelés cations.
Ces cations sont trop gros pour s'insérer dans le réseau à l'échelle atomique de la pérovskite et, lorsqu'ils atterrissent sur le cristal de pérovskite, modifient la structure du matériau à l'interface où ils sont déposés. Les défauts à l’échelle atomique qui en résultent limitent l’efficacité de l’extraction du courant de la cellule solaire. Malgré la prise de conscience de ces changements structurels, les recherches visant à déterminer si les cations sont stables après le dépôt sont limitées, ce qui laisse une lacune dans la compréhension d'un processus susceptible d'avoir un impact sur la viabilité à long terme des cellules solaires aux halogénures pérovskites.
"Notre préoccupation était que pendant de longues périodes de fonctionnement des cellules solaires, la reconstruction des interfaces se poursuive", a déclaré Correa-Baena. « Nous avons donc cherché à comprendre et à démontrer comment ce processus se déroule au fil du temps. »
Pour mener à bien l’expérience, l’équipe a créé un exemple de dispositif solaire utilisant des films de pérovskite typiques. L'appareil comprend huit cellules solaires indépendantes, ce qui permet aux chercheurs d'expérimenter et de générer des données basées sur les performances de chaque cellule. Ils ont étudié le fonctionnement des cellules, avec et sans traitement de surface cationique, et ont étudié les interfaces modifiées par les cations de chaque cellule avant et après un stress thermique prolongé à l'aide de techniques de caractérisation aux rayons X basées sur le synchrotron.
Premièrement, les chercheurs ont exposé les échantillons prétraités à une température de 100 degrés.Celsiuspendant 40 minutes, puis mesuré leurs changements de composition chimique par spectroscopie photoélectronique à rayons X. Ils ont également utilisé un autre type de technologie à rayons X pour étudier précisément quel type de structures cristallines se forment à la surface du film. En combinant les informations des deux outils, les chercheurs ont pu visualiser comment les cations se diffusent dans le réseau et comment la structure de l'interface change lorsqu'elle est exposée à la chaleur.
Ensuite, pour comprendre l'impact des changements structurels induits par les cations sur les performances des cellules solaires, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de corrélation d'excitation en collaboration avec Carlos Silva, professeur de physique et de chimie à Georgia Tech. La technique expose les échantillons de cellules solaires à des impulsions lumineuses très rapides et détecte l’intensité de la lumière émise par le film après chaque impulsion pour comprendre comment l’énergie lumineuse est perdue. Les mesures permettent aux chercheurs de comprendre quels types de défauts de surface nuisent aux performances.
Enfin, l'équipe a corrélé les changements de structure et de propriétés optoélectroniques avec les différences d'efficacité des cellules solaires. Ils ont également étudié les changements induits par les températures élevées dans deux des cations les plus utilisés et observé les différences de dynamique à leurs interfaces.
"Nos travaux ont révélé une instabilité préoccupante introduite par le traitement avec certains cations", a déclaré Carlo Perini, chercheur scientifique au laboratoire de Correa-Baena et premier auteur de l'article. "Mais la bonne nouvelle est qu'avec une ingénierie appropriée de la couche d'interface, nous verrons une stabilité accrue de cette technologie à l'avenir."
Les chercheurs ont appris que les surfaces des films de pérovskite aux halogénures métalliques traitées avec des cations organiques continuent d'évoluer en termes de structure et de composition sous contrainte thermique. Ils ont constaté que les changements à l’échelle atomique qui en résultent à l’interface peuvent entraîner une perte significative de l’efficacité de conversion d’énergie dans les cellules solaires. En outre, ils ont constaté que la vitesse de ces changements dépend du type de cations utilisés, ce qui suggère que des interfaces stables pourraient être accessibles avec une ingénierie adéquate des molécules.
"Nous espérons que ces travaux obligeront les chercheurs à tester ces interfaces à des températures élevées et à rechercher des solutions au problème de l'instabilité", a déclaré Correa-Baena. "Ce travail devrait orienter les scientifiques dans la bonne direction, vers un domaine sur lequel ils peuvent se concentrer afin de construire des technologies solaires plus efficaces et plus stables."