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Tech & Sciences
Des chercheurs chinois ont franchi le cap des 30 % de rendement avec des cellules solaires tandem tout-perovskite, qui conservent 92 % de leur efficacité après 1 000 heures de fonctionnement.
Un rendement certifié de 30,3 % sur cellules rigides et de 28 % sur versions flexibles : c'est le résultat obtenu par une équipe de l'Institut de technologie et d'ingénierie des matériaux de Ningbo (NIMTE), rattaché à l'Académie chinoise des sciences (CAS). Dirigée par Ge Ziyi, PhD, et Liu Chang, PhD, l'équipe a mis au point une nouvelle méthode pour contrôler la cristallisation des matériaux lors de la fabrication des cellules tandem tout-perovskite.
Ces cellules sont considérées comme l'une des technologies photovoltaïques les plus prometteuses. Leur capacité à capter la lumière dépasse celle des cellules solaires classiques à simple jonction, et leur production par traitement en solution à basse température pourrait réduire les coûts de fabrication. Jusqu'ici, un obstacle majeur freinait leur développement : la cristallisation asynchrone. Pendant la production, différentes parties des films de pérovskite cristallisent à des vitesses différentes, créant des défauts structurels et des incohérences de composition qui nuisent au rendement et à la stabilité à long terme.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont conçu une stratégie d'additifs fondée sur la théorie des acides et bases durs et mous (HSAB). Celle-ci prédit comment les acides et les bases interagissent. En introduisant des additifs soigneusement sélectionnés dans les couches de pérovskite à large bande interdite et à bande interdite étroite, ils ont synchronisé la nucléation et la croissance des cristaux. Cette approche a non seulement supprimé la distribution verticale non uniforme des phases, mais a également amélioré l'uniformité des films sur l'ensemble des dispositifs. Pour les pérovskites à large bande, l'équipe a utilisé des additifs de difluoro(oxalato)borate (DFOB⁻) et, pour les couches à bande étroite, du tétrafluoroborate (BF4⁻).
Les analyses structurelles et optiques ont montré que la méthode favorisait une croissance cristalline homogène et empêchait la redistribution des halogénures, une cause fréquente de défauts et d'accumulation de contraintes à l'intérieur des cellules. Les améliorations ont également renforcé les performances globales des dispositifs tandem. Le rendement des cellules à large bande interdite est passé de 18,5 % à 20,1 %, tandis que celui des cellules à bande étroite est passé de 21,6 % à 23,3 %.
Intégrés dans des architectures tandem monolithiques à deux bornes, les dispositifs rigides optimisés ont atteint un rendement maximal de 30,3 %, avec une tension en circuit ouvert de 2,16 volts et un facteur de remplissage de 85,2 %. Les cellules tandem flexibles ont également obtenu des résultats solides : 28,2 % de rendement, avec une valeur certifiée de 28,0 %.
La stabilité opérationnelle, principal goulot d'étranglement pour l'adoption commerciale des cellules solaires à pérovskite (PSC), s'est avérée remarquable. Le dispositif rigide optimisé a conservé 92 % de son efficacité initiale après 1 000 heures de suivi du point de puissance maximale. Parallèlement, les tandems flexibles ont maintenu 95,2 % de leur efficacité d'origine après 10 000 cycles de pliage.
Ces résultats soulignent leur potentiel pour l'électronique portable, les systèmes d'alimentation légers et les applications solaires flexibles. « Cette étude établit un principe chimique général pour réguler la cristallisation dans les systèmes de pérovskite à composition complexe », a conclu le chercheur dans un communiqué de presse. Les travaux ont été publiés dans la revue Nature Nanotechnology.
« Les résultats ouvrent une voie pour améliorer simultanément l'efficacité et la durabilité des dispositifs rigides et flexibles, faisant ainsi progresser le développement de technologies photovoltaïques légères et évolutives », ont souligné les scientifiques.
