La lumière améliore les performances des cellules solaires
© M. Grätzel/EPFL
Des scientifiques de l'EPFL, qui publient dans Nature, montrent comment la lumière affecte la formation du film de perovskite dans les cellules solaires, un facteur essentiel pour leur utilisation dans des installations photovoltaïques économiques et efficaces du point de vue énergétique.
Les perovskites se sont récemment avérés être des matériaux d'un immense intérêt pour la technologie de l'énergie solaire, car ils promettent de réduire le coût des cellules solaires à des niveaux très bas. Leur efficience dépend étroitement de notre capacité à contrôler leur dépôt en films, mais les facteurs qui influencent la synthèse des perovskites ne sont pas bien compris. Des scientifiques de l'EPFL viennent de montrer que, dans les deux méthodes les plus communément utilisées aujourd'hui, la lumière peut considérablement accélérer la formation des films de perovskite et contrôler la morphologie de leurs cristaux, ce qui a une influence sur l'efficience de la cellule solaire résultante. Cette étude décisive est publiée dans Nature.
La recherche a été menée par le laboratoire de Michael Grätzel à l'EPFL. Grätzel jouit d'une renommée mondiale pour avoir inventé les premières cellules solaires à colorants (cellules Grätzel) qui ont révolutionné la science de l'énergie solaire.
Dans cet article, la doctorante Amita Ummadisingu et ses collègues au Laboratoire de photonique et interfaces ont recouru à la microscopie à fluorescence confocale à balayage laser et à la microscopie électronique à balayage pour examiner comment la lumière directe affecte la formation du cristal lorsqu'on dépose les perovskites en couches, ce qui se fait généralement pour construire une cellule solaire. L'objectif est d'assurer l'homogénéité de l'ensemble du film de perovskite, puisque de cela dépendent des performances photovoltaïques supérieures.
Jusqu'ici, les efforts ont visé à améliorer l'efficience des cellules solaires en perovskite en optimisant leur architecture et les procédés de fabrications. Mais des aspects fondamentaux de la formation du perovskite, tels que le mécanisme ou les facteurs contrôlant la réaction, sont mal compris, ce qui conduit à des incohérences dans les performances d'un lot à l'autre.
Quoi qu'il en soit, comprendre l'effet de la lumière peut aider la reproductivité et l'accès de la photovoltaïque à perovskite à la production commerciale. Pour cette raison, les scientifiques de l'EPFL ont étudié les effets de la lumière sur deux des méthodes les plus couramment utilisées pour le dépôt de films de perovskite.
La première méthode est appelée «dépôt séquentiel», et elle implique de déposer du iodure de plomb sur une structure de dioxyde de titane, puis de les tremper ensemble dans une solution de iodure de méthylammonium, afin d'obtenir le perovskite final de iodure de plomb méthylammonium. La seconde approche est la «solution anti-solvant». Ici, une solution de précurseur du perovskite est appliquée uniformément sur une base plate rotative afin de créer une couche mince. Un anti-solvant est alors égoutté dessus et, enfin, tout l'échantillon est chauffé pour former le perovskite.
En utilisant à la fois les deux techniques microscopiques au cours de la méthode de dépôt séquentiel, les scientifiques ont découvert que lorsque de la lumière est présente, elle accélère significativement la formation globale du perovskite. L'effet se renforce lorsque l'intensité de la lumière est augmentée au niveau de la lumière solaire.
Les différences morphologiques dans le film ne sont pas le résultat d'un réchauffement par la lumière; elles sont plutôt la résultante d'un effet quantique: le film de iodure de plomb cristallise lors de la première phase de la formation du perovskite, et il forme des pièges de surface. Ces pièges capturent des trous photo-générés, qui réduisent la tension de surface. Le résultat, c'est que davantage de cristaux de iodure de plomb croissent dans le film, générant finalement plus de cristaux de perovskite.
D'autre part, les chercheurs ont trouvé que la méthode anti-solvant bénéficie pour sa part davantage de l'absence de lumière, et qu'elle donne les meilleurs résultats dans l'obscurité.
L'étude montre que le fait de contrôler la lumière présente pendant la fabrication peut aider à atteindre les meilleures performances des cellules solaires en perovskite. «De manière surprenante et frappante, nous avons trouvé que la lumière affecte fortement le taux de formation et la morphologie des perovskites dans les méthodes conventionnelles utilisées où les effets de la lumière n'ont jamais été remarqués auparavant», dit Michael Grätzel.
«La lumière est un facteur primordial dans les principales méthodes de dépôt et pour de nombreuses compositions de perovskite», ajoute Amita Ummadisingu. «Aussi, la prise de conscience de ce phénomène et le contrôle des effets de la lumière est essentiel lors de la fabrication de dispositifs de pointe en perovskite, et devraient toujours être pris en compte lors de la préparation de films de perovskite pour des applications opto-électroniques telles que les cellules solaires, les LED, etc.»
Ce travail a été financé par le Fonds National Suisse (FNS).
Référence
Amita Ummadisingu, Ludmilla Steier, Ji-Youn Seo, Taisuke Matsui, Antonio Abate, Wolfgang Tress, Michael Grätzel. The effect of illumination on the formation of metal halide perovskite films.Nature 26 April 2017. DOI: 10.1038/nature22072
Dossière Presse : http://go.epfl.ch/azG
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