Une équipe de recherche chinoise a levé le voile pour la première fois sur la « boîte noire » physique clé limitant l'efficacité des cellules solaires à pérovskite de structure formelle, en proposant de manière innovante une conception de couche de transport d'électrons à dopage graduel continu. Basée sur cette stratégie, la cellule solaire a obtenu une efficacité de conversion photoélectrique en régime permanent de 27,17 % et une efficacité de balayage inverse de 27,50 %, certifiées par une autorité internationale, établissant un nouveau record d'efficacité de conversion photoélectrique pour les dispositifs photovoltaïques à pérovskite de structure formelle.
Ce résultat de recherche a été obtenu par l'équipe du professeur Yuan Mingjian et du chercheur spécialement recruté Jiang Yuanzhi de l'École de chimie de l'Université de Nankai, en collaboration avec l'équipe du chercheur Xu Jian de l'Institut de technologie de Pékin. Les résultats de recherche associés ont été publiés en ligne le 30 avril, heure de Pékin, dans la revue scientifique internationale Nature.
Les cellules solaires à pérovskite, qui allient haut rendement et potentiel de fabrication à grande échelle, sont devenues une technologie photovoltaïque de nouvelle génération très prometteuse. Actuellement, les dispositifs à haut rendement dépendent généralement de substrats à micro-nano textures pour améliorer la capture de la lumière, mais les interfaces complexes introduisent simultanément des pertes significatives par recombinaison non radiative, devenant un goulot d'étranglement clé limitant l'amélioration des performances des dispositifs de structure formelle. L'efficacité de conversion photoélectrique des dispositifs de structure formelle est longtemps restée stagnante autour de 26 %, et son mécanisme physique profond restait encore flou.
Face à ces difficultés, l'équipe de recherche a révélé pour la première fois qu'à l'interface enterrée entre la couche de transport d'électrons en oxyde d'étain et la pérovskite sur un substrat texturé, il existe un effet synergique de désadaptation des bandes d'énergie et d'accumulation d'électrons. C'est précisément la source physique centrale de l'aggravation des pertes par recombinaison non radiative et de la stagnation à long terme des performances des dispositifs.
Pour résoudre cette impasse, il est impératif de contrôler finement les propriétés électriques de la couche de transport d'électrons en oxyde d'étain à la source. L'équipe de recherche a développé une couche de transport d'électrons en oxyde d'étain dotée d'une structure de niveau d'énergie à gradient, résolvant la désadaptation des bandes, facilitant l'extraction des électrons et supprimant efficacement les pertes par recombinaison non radiative.
Yuan Mingjian a indiqué que les cellules solaires à pérovskite équipées de cette nouvelle couche de transport d'électrons ont non seulement battu le record d'efficacité, mais leur perte de tension en circuit ouvert est aussi basse que 295 millivolts, ce qui prouve pleinement que la recombinaison non radiative a été fondamentalement supprimée. Cette recherche dissipe systématiquement, au niveau du mécanisme, le brouillard qui enveloppait depuis longtemps les performances des dispositifs de structure formelle, et ouvre également une nouvelle voie universelle et efficace pour la conception rationnelle des couches de transport d'électrons en oxyde métallique, promettant de fournir un support technique pour des modules photovoltaïques à pérovskite hautement stables et produits à grande échelle.