Cellule solaire tandem pérovskite-organique de l'Université de Nanjing en Chine atteint un rendement de 27,35 %

fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Université de Nanjing (Nanjing University) ont fabriqué une cellule solaire tandem pérovskite-organique dont la sous-cellule organique inférieure utilise un accepteur à faible bande interdite (LBG), ce qui permet d'améliorer l'absorption dans le proche infrarouge (NIR) tout en réduisant les pertes de tension.

Zheng Qingdong (Qingdong Zheng), auteur correspondant de l'article, a déclaré que l'un des facteurs clés limitant le rendement des cellules solaires tandem pérovskite-organique est que la densité de photocourant générée par la sous-cellule organique à faible bande interdite est inférieure à celle de la sous-cellule pérovskite à large bande interdite (WBG). Ce déséquilibre de photocourant provient principalement d'un chevauchement important des spectres d'efficacité quantique externe (EQE) des deux sous-cellules près du bord d'absorption de la couche pérovskite. Par conséquent, le développement d'accepteurs efficaces dans le proche infrarouge est essentiel pour réduire le chevauchement spectral, améliorer l'équilibrage du photocourant et, en fin de compte, améliorer les performances du dispositif tandem.

Selon les chercheurs, des travaux antérieurs ont permis de développer, par des stratégies d'ingénierie moléculaire, divers accepteurs non fullerènes (NFA) destinés à renforcer l'absorption dans le proche infrarouge des cellules solaires organiques à faible bande interdite, et ont permis aux dispositifs tandem pérovskite-organique d'atteindre des rendements de conversion certifiés de 22,0 % à 26,4 %.

Afin d'améliorer encore le rendement, l'équipe a conçu et synthétisé un nouvel accepteur non fullerène Zh-F, présentant une bande interdite optique de 1,23 eV. Ce matériau est basé sur un cœur hétéroheptacène fortement donneur d'électrons, dans le but de réduire la bande interdite optique et d'étendre davantage l'absorption lumineuse dans le proche infrarouge.

Pour réduire les pertes de tension et améliorer la réponse aux grandes longueurs d'onde, les chercheurs ont combiné le Zh-F avec le BTP-eC9, un accepteur non fullerène haute performance de la famille des semi-conducteurs organiques de la série Y. Les deux accepteurs, associés au donneur polymère PM6, forment une hétérojonction ternaire permettant une absorption lumineuse complémentaire et une meilleure utilisation spectrale.

La cellule solaire organique ternaire PM6:BTP-eC9:Zh-F ainsi obtenue atteint un rendement de conversion de 19,84 %, une tension en circuit ouvert de 0,853 V, une densité de courant de court-circuit de 29,00 mA cm⁻² et une perte de tension aussi faible que 0,510 V.

Zheng Qingdong a déclaré que l'introduction du Zh-F dans le système PM6 permet simultanément de renforcer la collecte de photons dans le proche infrarouge, le transport de charges, la dissociation des excitons et la dynamique de recombinaison, tout en supprimant les pertes de tension, ce qui le rend particulièrement adapté aux cellules solaires tandem pérovskite-organique.

Cette cellule organique forme une structure tandem avec une cellule pérovskite supérieure. La cellule pérovskite supérieure présente un rendement de conversion de 19,45 %, une tension en circuit ouvert de 1,32 V, une densité de courant de court-circuit de 17,63 mA cm⁻² et un facteur de remplissage de 83,65 %.

Les chercheurs ont construit une cellule tandem pérovskite-organique monolithique sur un substrat de verre et d'oxyde d'indium-étain (ITO). La cellule pérovskite supérieure est constituée d'une couche de transport de trous (HTL) en oxyde de nickel (NiOₓ), d'une monocouche auto-assemblée (SAM) de Ph-4PACz, d'une couche absorbante pérovskite à large bande interdite et d'une couche de transport d'électrons (ETL) en buckminsterfullerène (C₆₀).

Une couche de recombinaison d'interconnexion relie électriquement la sous-cellule pérovskite avant et la sous-cellule organique arrière à faible bande interdite. La cellule organique comprend une couche sélective de trous en Ph-2PACz, une couche absorbante photoactive organique, une couche de transport d'électrons à base de matériau interfacial PDIP dérivé du pérylènediimide, ainsi qu'une électrode de contact métallique en argent (Ag).

Cette structure constitue un dispositif tandem pérovskite-organique monolithique à deux terminaux : la sous-cellule pérovskite avant capte les photons de plus haute énergie, tandis que la sous-cellule organique arrière étend la collecte de lumière jusqu'au proche infrarouge.

Sous illumination standard, cette cellule tandem atteint un rendement de conversion de 27,35 %, une tension en circuit ouvert de 2,16 V, une densité de courant de court-circuit de 15,35 mA cm⁻² et un facteur de remplissage de 82,39 %. En comparaison, le dispositif tandem de référence utilisant un accepteur conventionnel présente un rendement de 25,69 %.

Zheng Qingdong a déclaré que ce dispositif tandem a obtenu un rendement certifié de 26,88 %, soit le rendement le plus élevé validé parmi les cellules solaires tandem pérovskite-organique rapportées à ce jour. Outre le rendement, le dispositif non encapsulé a également montré une bonne stabilité, conservant 80 % de ses performances initiales après environ 744 heures d'illumination continue à 1 soleil.

Les résultats correspondants ont été publiés sous le titre « Amélioration de l'absorption dans le proche infrarouge par un accepteur à faible bande interdite pour atteindre un rendement de 27,35 % dans les cellules solaires tandem pérovskite-organique » dans la revue Joule.

En juin 2025, des chercheurs de l'Institut de recherche sur l'énergie solaire de Singapour (SERIS) avaient revendiqué avoir atteint un rendement de conversion de 26,4 % avec la même structure.