Pérovskite : le bleu de Prusse porte une cellule solaire à 26,9 % de rendement

Des nanoparticules de bleu de Prusse, un pigment à base de fer, permettent à une cellule solaire pérovskite d’atteindre 26,9 % de rendement en laboratoire, dont 26,2 % certifiés de façon indépendante, tout en limitant la migration des ions qui dégrade ces cellules. Le résultat vient d’une équipe de l’Académie chinoise des sciences (CAS), dont l’étude a été publiée dans la revue Science.

Le bleu de Prusse, un pigment détourné vers le photovoltaïque

Le bleu de Prusse est un composé à base de fer connu pour sa forte absorption de la lumière visible et ses propriétés électrochimiques. Il avait déjà été testé comme photosensibilisateur dans les cellules solaires à colorant : il absorbait bien la lumière et produisait un photocourant, mais avec des performances limitées.

Les chercheurs de la CAS ont voulu savoir s’il pouvait aussi améliorer les performances et la stabilité des cellules pérovskites, dont la fragilité reste le principal frein à une industrialisation.

Comment les nanoparticules stabilisent la pérovskite

Une cristallisation mieux contrôlée

L’équipe a utilisé les nanoparticules comme modèles structuraux pour guider la cristallisation de films de pérovskite à base d’iodure de plomb et de formamidinium (FAPbI3). Elles suppriment des phases intermédiaires indésirables et favorisent la phase α, la structure cristalline photoactive qui absorbe efficacement la lumière et produit l’électricité.

Selon les chercheurs, cette approche améliore l’orientation des cristaux, réduit les contraintes du réseau cristallin et limite les pertes par recombinaison non radiative.

« La principale avancée de notre étude réside dans l’utilisation d’une structure de bleu de Prusse compatible sur le plan structurel, qui reste fonctionnelle aussi bien pendant la formation du film que durant le fonctionnement du dispositif », a déclaré Chong Liu, auteur correspondant de l’étude, à pv magazine.

Moins de défauts, des ions qui bougent moins

Les nanoparticules reconvertissent le plomb métallique et l’iode neutre vers leurs états ioniques d’origine. Leur structure cristalline rigide piège aussi les ions mobiles, notamment le césium, et limite leur déplacement sous l’effet d’un champ électrique.

L’énergie d’activation nécessaire à la migration ionique passe de 0,89 eV à 1,25 eV. Pour les chercheurs, cela protège les films contre les dégradations d’origine électrique, thermique et lumineuse.

Des rendements en hausse, de la cellule au sous-module

Le traitement a été testé sur les deux architectures courantes de cellules pérovskites :

• cellules conventionnelles (n-i-p) : de 24,2 % à 26,1 % ;
• cellules inversées (p-i-n) : de 26,0 % à 26,9 %, avec un résultat certifié indépendamment à 26,2 %.

Le gain se retrouve sur de plus grandes surfaces. Des mini-modules conventionnels de 6 cm × 6 cm atteignent 23,4 %, contre 20,1 % sans traitement. Un sous-module inversé de 30 cm × 30 cm, d’une surface d’ouverture de 756 cm², affiche un rendement certifié de 22,9 % et un rendement stabilisé de 22,8 %.

La stabilité, point faible historique de la pérovskite

Les mini-modules conventionnels ont conservé plus de 90 % de leur rendement initial après 2 500 heures à 85 °C et 85 % d’humidité relative, et plus de 80 % après 2 200 heures de fonctionnement continu à 65 °C et 50 % d’humidité relative.

Les essais de vieillissement accéléré sur les sous-modules inversés donnent une durée de vie T80 d’environ sept ans à 35 °C sous illumination continue. Les chercheurs précisent que ce chiffre est extrapolé et n’a pas été démontré en fonctionnement réel de longue durée.

Lors d’un essai en extérieur de cinq mois à Zhuhai, en Chine, un sous-module traité n’a montré aucune baisse « discernable » de performance par rapport à un module commercial en silicium de référence.

Questions fréquentes

Qu’est-ce que le bleu de Prusse ?

Le bleu de Prusse est un composé à base de fer, connu comme pigment, qui absorbe fortement la lumière visible et possède des propriétés électrochimiques. Dans cette étude, il est utilisé sous forme de nanoparticules pour stabiliser des cellules solaires pérovskites.

Pourquoi parle-t-on de 26,9 % et de 26,2 % de rendement ?

Le rendement de 26,9 % est celui mesuré par les chercheurs sur leur meilleure cellule inversée. Le chiffre de 26,2 % est celui obtenu lors d’une certification indépendante, plus prudent et plus fiable pour comparer les technologies.

Ces cellules pérovskites durent-elles aussi longtemps que le silicium ?

Pas encore démontré. La durée de vie T80 d’environ sept ans est une extrapolation d’essais accélérés, et l’essai en extérieur n’a duré que cinq mois, sans perte notable face à un module silicium de référence.