Des chercheurs de l'U of T Engineering et de l'Université des sciences et technologies du Roi Abdullah (KAUST) ont surmonté un obstacle majeur en combinant la technologie émergente de récolte solaire des pérovskites avec l'étalon-or commercial - les cellules solaires au silicium. Le résultat est une cellule solaire tandem hautement efficace et stable, l'une des plus performantes rapportées à ce jour.
«Aujourd'hui, les cellules solaires au silicium sont plus efficaces et moins coûteuses que jamais», déclare le professeur Eed Ted Sargent , auteur principal d' un nouveau document publié aujourd'hui dans Science . «Mais il y a des limites à l'efficacité du silicium seul. Nous nous efforçons de surmonter ces limites en utilisant une approche en tandem (à deux couches). »
Comme le silicium, les cristaux de pérovskite peuvent absorber l'énergie solaire pour exciter les électrons qui peuvent être canalisés dans un circuit. Mais contrairement au silicium, les pérovskites peuvent être mélangées avec du liquide pour créer une «encre solaire» qui peut être imprimée sur des surfaces.
L'approche de fabrication à base d'encre - connue sous le nom de traitement de solution - est déjà bien établie dans l'industrie de l'impression et a donc le potentiel de réduire le coût de fabrication des cellules solaires.
«L'ajout d'une couche de cristaux de pérovskite au-dessus de silicium texturé pour créer une cellule solaire en tandem est un excellent moyen d'améliorer ses performances», explique Yi Hou , boursier postdoctoral ECE et auteur principal du nouveau document. "Mais la norme actuelle de l'industrie est basée sur des plaquettes - des feuilles minces de silicium cristallin - qui n'ont pas été conçues avec cette approche à l'esprit."
Bien qu'elles puissent paraître lisses, les tranches de silicium standard utilisées pour les cellules solaires présentent de minuscules structures pyramidales d'environ deux micromètres de haut. La surface inégale minimise la quantité de lumière qui se réfléchit sur la surface du silicium et augmente l'efficacité globale, mais rend également difficile le revêtement d'une couche uniforme de pérovskites sur le dessus.
«La plupart des cellules tandem précédentes ont été fabriquées en polissant d'abord la surface de silicium pour la rendre lisse, puis en ajoutant la couche de pérovskite», explique Hou. "Cela fonctionne, mais à des coûts supplémentaires."
Hou et le reste de l'équipe - y compris Sargent et le professeur KAUST Stefaan De Wolf - ont adopté une approche différente. Ils ont augmenté l'épaisseur de la couche de pérovskite, la rendant suffisamment élevée pour couvrir à la fois les pics et les vallées créés par les structures pyramidales.
L'équipe a découvert que les pérovskites dans les vallées généraient un champ électrique qui sépare les électrons générés dans la couche de pérovskite de ceux générés dans la couche de silicium. Ce type de séparation des charges est bénéfique car il augmente les chances que des charges excitées s'écoulent dans le circuit plutôt que dans d'autres parties de la cellule.
L'équipe a encore amélioré la séparation des charges en recouvrant les cristaux de pérovskite dans une «couche de passivation» en 1-butanethiol, un produit chimique industriel courant.
Les cellules solaires en tandem ont atteint une efficacité de 25,7%, comme certifié par un laboratoire externe indépendant, l'Institut Fraunhofer pour l'énergie solaire à Fribourg, en Allemagne. Il s'agit de l'un des rendements les plus élevés jamais enregistrés pour ce type de conception. Ils étaient également stables, résistant à des températures allant jusqu'à 85 degrés Celsius pendant plus de 400 heures sans perte significative de performances.
«Le fait que nous puissions faire tout cela sans modifier le silicium en fait une solution intégrée», explique Hou. «L'industrie peut appliquer cela sans avoir à apporter des modifications coûteuses à ses processus existants.»
Hou et l'équipe continuent de travailler sur des améliorations de la conception, y compris l'augmentation de la stabilité jusqu'à 1 000 heures, une référence de l'industrie.
«Nous sommes très fiers de la performance record que cette collaboration a pu atteindre, mais ce n'est que le début», déclare Hou. «En surmontant une limitation clé des cellules solaires en tandem, nous avons préparé le terrain pour des gains encore plus importants.»
«Notre approche ouvre la porte à l'industrie du silicium-photovoltaïque pour exploiter pleinement les grandes avancées de la technologie de la pérovskite jusqu'à présent», explique De Wolf. «Cela peut apporter des panneaux photovoltaïques plus performants à faible coût sur le marché.»