L'Académie chinoise des sciences : le bleu de Prusse permet aux cellules pérovskites d'atteindre un rendement de 26,9 %

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Académie chinoise des sciences (CAS) a utilisé des nanoparticules de bleu de Prusse (Prussian Blue, PB) pour stabiliser des films minces de pérovskite à base d'iodure de plomb et de formamidinium (FAPbI3), permettant d'améliorer le rendement aussi bien des cellules solaires pérovskites conventionnelles (n-i-p) que des cellules inversées (p-i-n), tout en améliorant la stabilité des dispositifs. L'article associé, « Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells », a été publié dans Science.

Le bleu de Prusse est un composé à base de fer, connu pour sa forte capacité d'absorption dans le visible et ses propriétés électrochimiques. Des chercheurs l'avaient déjà utilisé comme photosensibilisateur dans des cellules solaires à colorant, confirmant sa capacité à absorber la lumière solaire et à générer un photocourant, mais avec des performances photovoltaïques limitées. Cette fois, l'équipe de recherche s'est tournée vers son potentiel d'application dans les cellules solaires pérovskites.

Dans cette étude, les nanoparticules de PB ont été utilisées comme template structurel pour contrôler le processus de cristallisation du FAPbI3, favorisant une croissance cristalline plus uniforme tout en inhibant les phases intermédiaires indésirables, ce qui favorise la formation de la phase α photoactive — la structure cristalline nécessaire à une absorption efficace de la lumière et à la production d'électricité. Selon les chercheurs, cette méthode améliore l'orientation cristalline, réduit la contrainte du réseau et limite les pertes par recombinaison non radiative.

L'auteur correspondant Yu Chen a déclaré que la principale avancée de cette étude réside dans l'utilisation d'une charpente de bleu de Prusse structurellement compatible, qui reste fonctionnelle à la fois lors de la formation du film et pendant le fonctionnement du dispositif : elle guide la cristallisation de la pérovskite, régule la conversion des espèces anormales de plomb et d'iode, et limite la redistribution des cations en site A, maintenant ainsi l'uniformité électronique sous polarisation et soutenant des modules de grande surface à haut rendement et stables.

En matière de contrôle des défauts et de la migration ionique, les nanoparticules de PB limitent la formation de défauts internes et la migration ionique, aidant à réduire le plomb métallique et les défauts d'iode neutre vers leur état ionique d'origine ; leur structure cristalline rigide piège les ions mobiles, en particulier le césium, limitant leur déplacement sous champ électrique. Il en résulte une diminution de la densité de défauts, une amélioration du transport de charges et une suppression des pertes d'énergie par recombinaison non radiative.

Les nanoparticules ont également élevé l'énergie d'activation de la migration ionique de 0,89 eV à 1,25 eV, rendant le déplacement des ions plus difficile. Les chercheurs estiment que ces effets aident les films minces de pérovskite à résister à la dégradation d'origine électrique, thermique et lumineuse.

Lors des tests sur dispositifs, le rendement de conversion de puissance des cellules conventionnelles est passé de 24,2 % à 26,1 % ; celui des cellules inversées est passé de 26,0 % pour les dispositifs non traités à 26,9 %, résultat certifié indépendamment à 26,2 %. L'équipe de recherche attribue ces améliorations à une séparation et une extraction de charges plus efficaces, à la réduction de la recombinaison non radiative et à l'inhibition de la migration ionique.

Après mise à l'échelle vers des dispositifs de plus grande taille, un mini-module conventionnel de 6 cm × 6 cm a atteint un rendement de 23,4 %, contre 20,1 % pour le dispositif de référence ; un sous-module inversé de 30 cm × 30 cm, d'une surface d'ouverture de 756 cm², a obtenu un rendement certifié de 22,9 % et un rendement stable de 22,8 %.

Les tests de stabilité ont également donné des résultats positifs. Le mini-module conventionnel a conservé plus de 90 % de son rendement initial après 2 500 heures à 85 °C et 85 % d'humidité relative ; il a maintenu plus de 80 % après 2 200 heures de fonctionnement continu à 65 °C et 50 % d'humidité relative.

Les tests de vieillissement accéléré sur des sous-modules inversés de plus grande taille montrent que, sous éclairage continu à 35 °C, la durée de vie T80 estimée est d'environ sept ans. T80 désigne le temps nécessaire pour qu'une cellule ou un module solaire perde 20 % de son rendement initial dans des conditions de fonctionnement données. Les chercheurs précisent que cette durée de vie prévue est extrapolée à partir de tests de vieillissement accéléré et n'a pas été validée par un fonctionnement réel à long terme.

Lors d'un test en extérieur de cinq mois à Zhuhai, en Chine, les sous-modules traités au PB n'ont pas montré de dégradation de performance « perceptible » par rapport aux dispositifs de référence en silicium commerciaux.

Yu Chen a déclaré que ces découvertes mettent en évidence le potentiel des matériaux à charpente ouverte pour améliorer le rendement des cellules solaires, permettre une production à grande échelle et renforcer la fiabilité à long terme du photovoltaïque pérovskite.