L’innovation chimique pour des cellules pérovskites plus performante

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Des cellules solaires en perovskite dans le laboratoire. Crédit : W. Tress (EPFL

Des cellules solaires en perovskite dans le laboratoire. Crédit : W. Tress (EPFL)

Des chercheurs ont résolu un problème contraignant avec la stabilisation de la formulation la plus performante de films de pérovskite aux halogénures métalliques, un élément majeur utilisé dans de nombreuses applications, notamment les cellules photovoltaïques.

Les pérovskites appartiennent à une classe de matériaux composés de matières organiques associées à un métal. De par leur structure et leurs propriétés intéressantes, les pérovskites sont en première ligne dans la recherche de matériaux, où elles sont étudiées pour une utilisation dans un large champ d’applications. Très prisées, les pérovskites aux halogénures métalliques sont envisagées pour une utilisation dans les cellules photovoltaïques, les éclairages à LED, les lasers et les photodétecteurs.

À titre d’exemple, le rendement de conversion de puissance des cellules photovoltaïques à pérovskites est passé de 3,8 % à 25,5 % en seulement 10 ans, dépassant celui des autres cellules photovoltaïques en couches minces y compris celles en silicium polycristallin qui est le principal matériau du marché.

On fabrique généralement les pérovskites en mélangeant et en déposant par couches divers matériaux sur un substrat conducteur transparent, ce qui produit des films légers et minces. Ce processus, appelé «déposition chimique», est durable et relativement économique.

Mais un problème se pose. Depuis 2014, on fabrique les pérovskites aux halogénures métalliques en mélangeant des cations et des halogénures avec du formamidinium. (FAPbI3). Cela tient au fait que cette formulation permet un rendement de conversion de puissance élevé dans les cellules photovoltaïques à pérovskites. Mais parallèlement, la phase la plus stable du FAPbI3 est photo-inactive, autrement dit elle ne réagit pas à la lumière, ce qui va à l’encontre du rôle d’un collecteur solaire. De plus, les cellules photovoltaïques constituées de FAPbI3 présentent des problèmes de stabilité à long terme.

Aujourd’hui, sous la direction de Michael Grätzel et d’Anders Hafgeldt, des chercheurs à l’EPFL ont développé une méthode de dépôt qui élimine les problèmes liés au formamidinium tout en conservant la conversion élevée des cellules photovoltaïques à pérovskites. Les travaux ont été publiés dans la revue scientifique Science.

Dans la nouvelle méthode, les matériaux sont d’abord traités par une vapeur de méthylammonium thiocyanate (MASCN) ou de formamidinium thiocyanate (FASCN). Cette innovation transforme les films de pérovskite FAPbI3 photo-inactifs en films photosensibles.

Les scientifiques ont utilisé les nouveaux films FAPbI3 pour fabriquer des cellules photovoltaïques à pérovskites. Les cellules ont affiché un rendement de conversion de puissance de plus de 23 % et une stabilité opérationnelle et thermique à long terme. Elles présentaient également une faible perte de tension en circuit ouvert (330 mV) et une faible tension d’alimentation d’électroluminescence (0,75 V).