Une équipe chinoise de l’Université de Technologie de Hebei et d’autres institutions porte l’efficacité des cellules pérovskites à 27,39 %

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l’Université de Technologie de Hebei, de l’Université de Jiaxing Nanhu (Jiaxing Nanhu University) et de l’Université de Tianjin a proposé une stratégie de conception moléculaire de chélation à double site à régulation stérique (SGDC) pour les cellules solaires à pérovskite. Cette stratégie, en réduisant les défauts dans les films de pérovskite, a permis d’augmenter l’efficacité des cellules de laboratoire à 27,39 % et d’atteindre une efficacité de conversion de puissance supérieure à 22 % sur des mini-modules bifaciaux d’une superficie supérieure à 150 centimètres carrés.

Les films de pérovskite, lors de leur processus de cristallisation rapide, laissent des défauts subtils en surface, aux joints de grains et à l’interface inférieure enterrée. Cong Chen, premier auteur de l’étude, a indiqué que les additifs moléculaires peuvent atténuer ces imperfections, mais que leur conception doit trouver un équilibre : des interactions fortes sont bénéfiques pour la passivation des défauts, tandis qu’une accumulation moléculaire excessive ou la formation d’une couche d’interface isolante peut, à l’inverse, entraver le transport des charges. L’ingénierie des additifs offre ainsi une voie pratique pour passiver les défauts électroniques tout en régulant la cristallisation. Un additif idéal doit non seulement assurer une forte liaison aux défauts sans bloquer le transport des charges, mais aussi, idéalement, offrir une protection supplémentaire contre les contraintes environnementales au dispositif.

La conception moléculaire SGDC proposée par l’équipe est constituée d’un squelette rigide d’adamantane tridimensionnel portant deux bras de coordination carboxyméthyle, capable d’une chélation forte des ions plomb sous-coordinés (Pb²⁺) et de réguler stériquement l’empilement moléculaire local. L’additif moléculaire de type adamantane utilisé par les chercheurs, nommé ADA-DA, possède deux groupes carboxyméthyle qui peuvent se coordonner simultanément avec les Pb²⁺ sous-coordinés, tandis que le noyau rigide tridimensionnel d’adamantane sert à contrôler l’empilement moléculaire et à éviter un encombrement interfacial excessif. Chen a expliqué que cette combinaison réalise une chélation à double site à régulation stérique, permettant une forte passivation des défauts sans entraver le transport des charges ; les mesures expérimentales ont confirmé que l’ADA-DA présente de fortes interactions avec les ions plomb et les ions iodure.

Les films de pérovskite obtenus avec cette stratégie présentent des grains plus grands, moins de joints de grains et une morphologie plus dense et plus lisse. Les molécules d’ADA-DA sont réparties dans toute la couche de pérovskite et s’accumulent préférentiellement dans les zones nécessitant le plus de passivation, comme la surface et les joints de grains. Les mesures électriques montrent une réduction significative des densités de pièges à électrons et à trous.

Les dispositifs fabriqués par l’équipe de recherche adoptent une structure inversée p-i-n, composée d’un substrat ITO, d’une couche de transport de trous constituée d’oxyde de nickel (NiOₓ) et d’une monocouche auto-assemblée, d’une couche d’absorption de pérovskite, d’une couche de transport d’électrons en fullerène (C60), d’une couche tampon de bathocuproïne (BCP) et d’une électrode d’argent ; le film de pérovskite incorporant l’ADA-DA est déposé par un procédé de cristallisation par évaporation flash sous vide. Sous un éclairage standard, l’efficacité de conversion de puissance des dispositifs atteint 27,39 %, contre 26,24 % pour les cellules de référence sans cette stratégie. L’équipe de recherche a indiqué que ce résultat a été certifié par un organisme tiers indépendant dont le nom n’a pas été divulgué.

Lors des essais de mise à l’échelle, l’équipe a étendu les cellules modifiées par l’ADA-DA à des mini-modules bifaciaux, utilisant respectivement des électrodes transparentes en ITO ou en oxyde d’indium-zinc (IZO) sur les deux faces. Un module de 13 cellules d’une superficie de 163,93 centimètres carrés a atteint une efficacité de conversion de puissance maximale de 22,21 % lorsqu’il est éclairé du côté verre/ITO ; un module de 12 cellules d’une superficie de 151,32 centimètres carrés a atteint une efficacité maximale de 22,33 % lorsqu’il est éclairé du côté IZO. Chen a indiqué que la structure bifaciale combine une efficacité élevée avec des caractéristiques de transparence et de captation de la lumière sur les deux faces, ce qui la rend adaptée au photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV).

Lors des tests de stabilité, un module ADA-DA d’une superficie de 151,32 centimètres carrés a fonctionné pendant plus de 5 000 heures sous un éclairage continu par LED blanche, sa puissance de sortie passant de 1 028,5 milliwatts à 1 024,1 milliwatts, soit un maintien à 99,6 % de sa valeur initiale. Ces résultats ont été publiés dans la revue Joule sous le titre « Steric-gated dual-site chelation enables 27.3% efficient perovskite solar cells and ultra-stable 22% bifacial modules ».