Une cellule tandem pérovskite-silicium atteint un rendement de 28,9 % grâce à une cellule supérieure à bande interdite large

Un groupe international de chercheurs a conçu une nouvelle cellule solaire en pérovskite-silicium à l’aide d’un dispositif PV supérieur en pérovskite affichant une bande d’énergie interdite de 1,67 eV et d’une nouvelle monocouche auto-assemblée basée sur du carbazole. La cellule tandem a enregistré un rendement supérieur à d’autres cellules du même type dépourvues de monocouche et a réussi le test de la norme IEC 61215 en termes de cycle thermique.D’après pv magazine International
Un groupe international de chercheurs a créé une cellule solaire en pérovskite affichant une bande d’énergie interdite de 1,67 eV, l’une des bandes interdites les plus élevées jamais atteintes à ce jour pour ce type de cellule. Cette technologie est décrite en détails dans l’étude « Molecular engineering of hole-selective layer for high band gap perovskites for highly efficient and stable perovskite-silicon tandem solar cells », parue dans Joule. L’équipe de recherche est composée de scientifiques travaillant à l’Université de Sidney, au centre de recherche allemand Forschungszentrum Jülich GmbH, à l’Université des sciences et des technologies du Sud en Chine, à l’Université de Nouvelles-Galles du sud (UNSW) en Australie et à l’Université de Ljubljana en Slovénie.
Le dispositif est conçu pour servir de cellule supérieure dans les cellules solaires tandem en pérovskite-silicium, où les cellules supérieures doivent afficher une bande interdite élevée afin d’atteindre un courant de sortie adéquat. En revanche, ces cellules supérieures présentent un décalage plus important entre bande interdite et tension en raison d’une recombinaison non radiative et d’un mauvais alignement énergétique entre la couche en pérovskite et la couche de sélection des charges.
Pour remédier à ce problème, les chercheurs ont utilisé une monocouche auto-assemblée (self-assembled monolayer – SAM) basée sur du carbazole qui constitue une couche sélective des trous (HSL) efficace. Ces SAM étaient auparavant utilisées dans des cellules solaires expérimentales et sont souvent développées à l’aide d’une colle moléculaire ajoutée au cours du traitement, ce qui permet d’améliorer de manière considérable l’adhésion entre la couche d’absorption de la lumière en pérovskite et la couche de transport des électrons.
« Les SAM sont généralement constituées d’un groupe d’ancrage, d’un espaceur et d’un groupe terminal », expliquent les scientifiques, en précisant que leur monocouche est aussi basée sur un acide phosphonique (Ph-2PACz) et deux anneaux benzéniques pour créer un système conjugué élargi. « Les SAM-HSL basées sur du carbazole sortent du lot en raison de leur stabilité acceptable et de l’alignement de leur niveau énergétique avec les pérovskites. En outre, elles sont “riches en électrons”, ce qui favorise la sélectivité des trous. »
La cellule supérieure en pérovskite est composée d’un substrat en oxyde d’indium-étain (ITO), de la SAM, de l’absorbeur en pérovskite, d’une couche de transport des électrons en buckminsterfullerene (C60), d’une couche tampon en bathocuproïne (BCP) et d’un contact métallique en cuivre (Cu). Elle a atteint un rendement de conversion énergétique de 21,3 %, une tension en circuit ouvert de 1,26 V, une densité de court-circuit de 20,5 mA/cm² et un facteur de remplissage de 82,6 %.
« L’écart entre la bande interdite et la tension, 0,41 V, est l’un des plus faible jamais atteint pour une cellule solaire en pérovskite de 1,67 eV affichant un record de rendement », affirment les universitaires.
Les scientifiques ont ensuite décidé d’utiliser la cellule supérieure dans une cellule solaire tandem pérovskite-silicium monolithique de 1,03 cm². D’après leurs observations, celle-ci a atteint un rendement de conversion énergétique de 28,9 % et une tension de circuit ouvert de 1,91 V. Certaines cellules de référence basées sur d’autres types de monocouches ont affiché des rendements compris entre 25 et 26 %.
« Le dispositif tandem basé sur le Ph-2PACz a présenté une plus grande résistance à l’essai de chaleur humide, avec des pertes de performance négligeables au bout de 280 heures de chaleur humide, souligne le groupe. Fait notable, le dispositif tandem encapsulé basé sur le Ph-2PACz a conservé 98,8 % de son rendement initial au bout de 200 cycles thermiques, passant ainsi avec succès le test de la norme IEC 61215 en termes de cycle thermique. »
Traduction assurée par Christelle Taureau

Aurélie CHAPUIS

Engagée pour la transition énergétique, je me consacre à l’exploration des opportunités offertes par l’énergie solaire et à son évolution. J’accompagne les professionnels du secteur et favorise les collaborations pour accélérer l’adoption de solutions durables et innovantes.