Un revêtement révolutionnaire pour cellules solaires organiques améliore l'efficacité et réduit les coûts

Modification de la surface pour des cellules solaires tandem perovskite/silicium texturées plus efficaces.

Une nouvelle génération de panneaux solaires pourrait émerger grâce à l'utilisation d'un revêtement moléculaire organique spécial sur les cellules solaires. Selon une équipe de recherche dans la revue Chimie appliquéece revêtement améliore l'efficacité des cellules tandem monolithiques constituées de silicium et de pérovskite, tout en réduisant leur coût, car elles sont fabriquées à partir de plaquettes de silicium standard microstructurées industrielles.

Dans les cellules solaires, la lumière « arrache » des électrons d’un semi-conducteur, laissant derrière elle des « trous » chargés positivement. Ces deux porteurs de charge sont séparés l’un de l’autre et peuvent être collectés sous forme de courant. Les cellules tandem ont été développées pour mieux exploiter l’ensemble du spectre de la lumière solaire et augmenter l’efficacité des cellules solaires.

Les cellules tandem sont constituées de deux semi-conducteurs Les cellules monoblocs en tandem absorbent différentes longueurs d'onde de la lumière. Les principaux candidats à cette technologie sont une combinaison de silicium, qui absorbe principalement la lumière rouge et proche infrarouge, et de pérovskite, qui utilise très efficacement la lumière visible. Les cellules monolithiques en tandem sont fabriquées en recouvrant un support avec les deux types de semi-conducteurs, l'un sur l'autre. Pour un système pérovskite/silicium, cela est généralement réalisé en utilisant des plaquettes de silicium produites par le processus de fusion de zone et ayant une surface polie ou nanostructurée. Cependant, celles-ci sont très coûteuses.

Les plaquettes de silicium produites par le procédé Czochralski avec des éléments structurels pyramidaux de l'échelle micrométrique sur leurs surfaces sont nettement moins chères. Ces microtextures permettent une meilleure capture de la lumière car elles sont moins réfléchissantes qu'une surface lisse. Cependant, le processus de revêtement de ces plaquettes avec de la pérovskite entraîne de nombreux défauts dans le réseau cristallin, qui affectent les propriétés électroniques. Le transfert des électrons libérés est entravé et la recombinaison électron-trou se produit de plus en plus par des processus qui n'émettent pas de lumière. L'efficacité et la stabilité de la couche de pérovskite sont toutes deux réduites.

Une percée dans la passivation de surface

Sous la direction du professeur Kai Yao, une équipe chinoise de l'université de Nanchang, de Suzhou Maxwell Technologies, de l'institut de recherche sur les produits tubulaires CNPC (Shaanxi), de l'université polytechnique de Hong Kong, de l'université de technologie de Wuhan et de l'université Fudan (Shanghai) a mis au point une stratégie de passivation de surface qui permet de lisser les défauts de surface de la couche de pérovskite. Un composé de thiophénéthylammonium avec un groupe trifluorométhyle (CF3-TEA) est appliqué par un procédé de revêtement par pulvérisation dynamique. Cela forme une couche très uniforme, même sur des surfaces microtexturées.

Grâce à sa polarité et à son énergie de liaison élevées, le revêtement CF3-TEA atténue très efficacement les effets des défauts de surface. La recombinaison non radiative est supprimée et les niveaux électroniques sont ajustés de manière à ce que les électrons à l'interface puissent être plus facilement transférés vers la couche de capture d'électrons de la cellule solaire. La modification de surface avec CF3-TEA permet aux cellules solaires tandem pérovskite/silicium basées sur des plaquettes texturées courantes en silicium Czochralski d'atteindre un rendement très élevé de près de 31 % et de maintenir une stabilité à long terme.

L’étude a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et la Fondation des sciences naturelles de la province du Jiangxi.