Les cellules solaires à pérovskite sont l'une des technologies photovoltaïques les plus prometteuses pour l'avenir, avec de vastes perspectives d'application dans les centrales au sol, l'intégration photovoltaïque aux bâtiments et l'alimentation énergétique spatiale. Les dispositifs de grande surface à haute efficacité constituent une étape cruciale vers la commercialisation des cellules solaires à pérovskite. Actuellement, l'efficacité de conversion photoélectrique des petites cellules en laboratoire dépasse 27 %, mais l'augmentation de la surface des dispositifs entraîne une chute brutale de l'efficacité. Le principal défi réside dans le fait que, pour améliorer l'uniformité des films de pérovskite lors de la préparation de dispositifs de grande surface, on utilise souvent des solutions à faible concentration pour réduire la viscosité, ce qui raccourcit la fenêtre de cristallisation et provoque une cristallisation locale trop rapide, entraînant une qualité cristalline médiocre des films et une faible efficacité des modules. Par conséquent, concilier « revêtement uniforme sur grande surface » et « cristallisation de haute qualité » est la clé pour fabriquer des modules de grande surface à haute efficacité.
Récemment, l'équipe de recherche du chercheur You Jingbi de l'Institut des semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences a proposé une stratégie de « régulation de la phase intermédiaire stable ». En introduisant de manière innovante un additif à double groupe fonctionnel, ils ont réussi à préparer des films de pérovskite de grande surface avec une qualité cristalline élevée et une excellente uniformité, réduisant la perte d'efficacité des modules de grande surface de 2,0 % à 1,3 % par ordre de grandeur d'augmentation de surface, se rapprochant ainsi du niveau de référence de l'industrie des cellules solaires au tellurure de cadmium commercialisées, qui est de 0,8 %.
L'innovation centrale de cette stratégie réside dans la découverte par l'équipe de recherche que la molécule de N-crotonylglycine contient à la fois des groupes amide et carboxyle, capables de former une forte coordination avec l'iodure de plomb. Lors de la formation du film à partir d'une solution précurseur à faible concentration, la molécule additive agit comme un « réservoir tampon de soluté », stabilisant efficacement la phase intermédiaire δ-FAPbI3, généralement instable, et augmentant significativement la barrière énergétique de sa transition vers la phase photoactive α-FAPbI3 de 0,21 électron-volt à 0,84 électron-volt, retardant ainsi le processus de nucléation et de croissance du matériau pérovskite.
Grâce à cette stratégie, l'équipe de recherche a préparé des modules solaires à pérovskite de différentes tailles, atteignant des performances de pointe au niveau international : un module de 14,6 cm² a obtenu une efficacité certifiée en régime stable de 24,4 %, établissant un record d'efficacité certifiée pour les modules de 10 cm² et plus, un module de 70,5 cm² a atteint 23,1 %, et un module de 285,6 cm² a atteint 22,4 %. Sous un soleil standard, un module d'une surface active de 155 cm² a conservé 86 % de son efficacité initiale après 1053 heures de vieillissement au point de puissance maximale.
Ce travail propose de manière innovante une méthode de régulation de la croissance des matériaux pérovskites de grande surface, offrant une voie importante pour le passage de la technologie photovoltaïque à pérovskite du laboratoire à la fabrication à grande échelle.
Les résultats de cette recherche ont été publiés dans le « Journal of Semiconductors » sous le titre « Stable intermediate phase regulation for high-performance and scalable perovskite solar cells ». Cai Kai, doctorant à l'Institut des semi-conducteurs, est le premier auteur, tandis que Zhou Haitao, postdoctorant à l'Institut, et le chercheur You Jingbi sont les co-auteurs correspondants.
Ce travail a bénéficié du soutien du Programme national clé de recherche et développement, du projet pilote de l'Académie chinoise des sciences, de l'équipe de recherche fondamentale soutenue de manière stable par l'Académie chinoise des sciences, ainsi que de Xiamen Fengyu Photoelectric Technology Co., Ltd.