Les dernières recherches de l’Université Northwestern sur les cellules solaires à pérovskite ont établi un nouveau record d’efficacité de 25,1 %, en utilisant une nouvelle approche à double molécule pour réduire la recombinaison électronique. Ce développement marque une étape importante vers la transformation des cellules solaires à pérovskite en une alternative plus efficace et plus stable aux cellules conventionnelles à base de silicium. Crédit : Laboratoire Sargent/Université Northwestern
Les chercheurs ont amélioré l’efficacité cellulaire en utilisant une combinaison de molécules pour résoudre divers problèmes.
Des chercheurs de l’Université Northwestern ont une fois de plus élevé les normes en matière de cellules solaires à pérovskite grâce à un nouveau développement qui a permis à la technologie émergente d’atteindre de nouveaux records d’efficacité.
Les résultats, récemment publiés dans la revue Science, décrivent une solution à deux molécules pour surmonter les pertes d’efficacité lorsque la lumière du soleil est convertie en énergie. En incorporant d’abord une molécule pour résoudre ce qu’on appelle la recombinaison de surface, dans laquelle des électrons sont perdus lorsqu’ils sont piégés par des défauts (atomes manquants à la surface), et une deuxième molécule pour perturber la recombinaison à l’interface entre les couches, l’équipe a obtenu un objectif national en matière d’énergie renouvelable. Energy Lab (NREL) a certifié une efficacité de 25,1 %, alors que les approches antérieures atteignaient une efficacité de seulement 24,09 %.
Se concentrer sur la recombinaison interfaciale
« La technologie solaire pérovskite évolue rapidement et l’accent de la recherche et du développement se déplace de l’absorbeur en vrac vers les interfaces », a déclaré le professeur Ted Sargent de Northwestern. « C’est le point critique pour améliorer encore l’efficacité et la stabilité et nous rapprocher de cette voie prometteuse vers une récolte solaire toujours plus efficace. »
Sargent est co-directeur exécutif de l’Institut Paula M. Trienens pour le développement durable et l’énergie (anciennement ISEN) et chercheur multidisciplinaire en chimie des matériaux et en systèmes énergétiques, avec des nominations au département de chimie du Weinberg College of Arts and Sciences et du département de génie électrique et informatique de la McCormick School of Engineering.
Les cellules solaires conventionnelles sont constituées de tranches de silicium de haute pureté qui nécessitent beaucoup d’énergie à produire et ne peuvent absorber qu’une plage fixe du spectre solaire.
Matériaux pérovskites dont la taille et la composition peuvent être ajustées pour « ajuster » les longueurs d’onde de la lumière qu’ils absorbent, ce qui en fait une technologie tandem émergente à haut rendement, favorable et potentiellement moins coûteuse.
Historiquement, les cellules solaires à pérovskite ont été confrontées à des difficultés pour améliorer leur efficacité en raison de leur relative instabilité. Au cours des dernières années, les progrès du laboratoire de Sargent et d’autres ont amené l’efficacité des cellules solaires à pérovskite dans la même fourchette que celle réalisable avec le silicium.
Progrès dans la rétention d’électrons
Dans la présente recherche, plutôt que d’essayer d’aider la cellule à absorber davantage de lumière solaire, l’équipe s’est concentrée sur la question du maintien et de la rétention des électrons générés pour augmenter l’efficacité. Lorsque la couche de pérovskite entre en contact avec la couche de transport d’électrons de la cellule, les électrons se déplacent de l’une à l’autre. Mais l’électron peut reculer vers l’extérieur et remplir, ou « se recombiner », les trous qui existent sur la couche de pérovskite.
« La recombinaison à l’interface est complexe », a déclaré le premier auteur Cheng Liu, étudiant postdoctoral au laboratoire Sargent, co-supervisé par les professeurs de chimie Charles E. et Emma H. Morrison Mercouri Kanatzidis. « Il est très difficile d’utiliser un seul type de molécule pour traiter une recombinaison complexe et retenir les électrons. Nous avons donc réfléchi à la combinaison de molécules que nous pourrions utiliser pour résoudre le problème de manière plus globale. »
Des recherches antérieures menées par l’équipe de Sargent ont montré qu’une molécule, le PDAI2, fait du bon travail pour résoudre la recombinaison d’interface. Ensuite, ils devaient trouver une molécule capable de réparer les défauts de surface et d’empêcher les électrons de se recombiner avec eux.
Approche à double molécule et travaux futurs
En trouvant le mécanisme qui permettrait au PDAI2 Pour travailler avec une molécule secondaire, l’équipe s’est concentrée sur le soufre, qui pourrait remplacer les groupes carbone – généralement incapables d’empêcher les électrons de se déplacer – pour couvrir les atomes manquants et supprimer la recombinaison.
Un article récent du même groupe publié dans Nature a développé un revêtement pour le substrat situé sous la couche de pérovskite afin d’aider la cellule à fonctionner à une température plus élevée pendant une période plus longue. Cette solution, selon Liu, peut fonctionner en tandem avec les conclusions de l’article scientifique.
Même si l’équipe espère que leurs découvertes encourageront la communauté scientifique dans son ensemble à poursuivre ses travaux, elle travaillera également sur des suivis.
« Nous devons utiliser une stratégie plus flexible pour résoudre le problème complexe de l’interface », a déclaré Cheng. « Nous ne pouvons pas utiliser uniquement un seul type de molécule, comme nous le faisions auparavant. Nous utilisons deux molécules pour résoudre deux types de recombinaison, mais nous sommes sûrs qu’il existe d’autres types de recombinaison liées à des défauts à l’interface. Nous devons essayer d’utiliser davantage de molécules pour les rassembler et nous assurer que toutes les molécules fonctionnent ensemble sans se détruire mutuellement.
Le document a été soutenu sous le numéro 70NANB19H005 du Département américain du Commerce, National Institute of Standards and Technology, dans le cadre du Center for Hierarchical Materials Design (CHiMaD), et partiellement par OSR-CRG2020-4350.2, en plus de recevoir le soutien de le Bureau de recherche navale (N00014-20-1-2572, N00014-20-1-2725), le Bureau de recherche de l’armée (W911NF-23-1-0141, W911NF-23-1-0285 et par la Fondation Sherman Fairchild , Inc.). Le travail a utilisé les installations SPID, EPIC et Keck-II de Université du nord-ouest‘s NUANCE Center, qui a reçu le soutien de la ressource SHyNE (NSF ECCS-2025633), de l’Institut international de nanotechnologie, de la Northwestern University et du programme 5 MRSEC de Northwestern (NSF DMR-1720139). La caractérisation du transport de charge a été soutenue par le Centre de recherche sur les matériaux et l’ingénierie de la National Science Foundation (NSF) de l’Université Northwestern (DMR-1720319).
