Cellules solaires à pérovskite : la clé de la stabilité à long terme

Les cellules solaires à pérovskite sont peu coûteuses à produire et très efficaces. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés à l'extérieur dans des conditions météorologiques réelles, on peut encore se demander combien de temps ils resteront stables. Ce sujet est désormais abordé par une collaboration internationale dirigée par le professeur Antonio Abate dans la revue Nature Reviews Materials. Les chercheurs ont étudié les effets des cycles thermiques répétés sur les microstructures et les interactions entre les différentes couches de cellules solaires à pérovskite. Conclusion : Le facteur décisif pour la dégradation des pérovskites aux halogénures métalliques est le stress thermique. Cela peut être utilisé pour dériver des stratégies visant à augmenter spécifiquement la stabilité à long terme des cellules solaires à pérovskite.

Les pérovskites sont une classe de matériaux aux propriétés semi-conductrices idéales pour la conversion d'énergie dans une cellule solaire : les meilleurs d'entre eux, les pérovskites aux halogénures métalliques, offrent déjà des rendements allant jusqu'à 27 %. La production de telles cellules solaires à couche mince nécessite extrêmement peu de matériaux et d’énergie, de sorte que l’énergie solaire pourrait devenir nettement moins chère. Cependant, lorsqu’ils sont utilisés à l’extérieur, les modules solaires devraient fournir un rendement presque stable pendant au moins 20 à 30 ans. Et il reste encore beaucoup de place pour l’amélioration des matériaux à base de pérovskite.

Une collaboration de recherche internationale dirigée par le professeur Antonio Abate vient de publier les résultats de plusieurs années de travail dans un article de synthèse publié dans la célèbre revue Nature Reviews Materials . En collaboration avec une équipe dirigée par le professeur Meng Li, de l'Université du Henan, en Chine, et d'autres partenaires en Italie, en Espagne, en Grande-Bretagne, en Suisse et en Allemagne, ils démontrent que les contraintes thermiques sont le facteur décisif pour la dégradation des pérovskites aux halogénures métalliques.

« Bien que l’encapsulation puisse protéger efficacement les cellules de l’humidité et de l’oxygène atmosphérique, lorsqu’elles sont utilisées à l’extérieur, elles sont toujours exposées à de grandes fluctuations de température de jour comme de nuit et au fil des saisons », explique Abate. Selon les conditions géographiques, les températures à l'intérieur des cellules solaires peuvent varier entre moins 40 degrés Celsius et plus 100 degrés Celsius (par exemple dans le désert).

Pour simuler ce phénomène, les cellules solaires en pérovskite de l’étude ont été exposées à des différences de température encore plus extrêmes : de moins 150 degrés Celsius à plus 150 degrés Celsius, encore et encore. Dr. Guixiang Li (alors postdoctorant à HZB, aujourd'hui professeur à l'Université du Sud-Est, Chine) a étudié comment la microstructure de la couche de pérovskite changeait au cours des cycles et dans quelle mesure les interactions avec les couches voisines changeaient également au cours des cycles de température.

Cela a également réduit les performances de la cellule. En particulier, les grandes fluctuations de température ont provoqué des contraintes thermiques, à la fois au sein du film mince de pérovskite et entre les différentes couches adjacentes : « Dans une cellule solaire à pérovskite, des couches constituées de matériaux très différents doivent être en parfait contact ; « Malheureusement, ces matériaux ont souvent un comportement thermique très différent », explique Abate. Par exemple, les plastiques ont tendance à rétrécir lorsqu’ils sont chauffés, tandis que les matériaux inorganiques ont tendance à se dilater. En conséquence, le contact entre les couches se dégrade à chaque cycle. En outre, l’équipe a également étudié les transitions de phase locales et la diffusion d’éléments dans les couches voisines.

À partir de là, les chercheurs ont élaboré une stratégie pour augmenter la stabilité à long terme des cellules solaires à pérovskite. « Le stress thermique est la clé », explique Abate. L'objectif principal est de rendre les structures perovskites et les couches adjacentes plus stables face aux contraintes thermiques, par exemple en augmentant la qualité cristalline, mais aussi en utilisant des couches tampons adaptées. Afin de déterminer la stabilité lors des changements de température de manière uniforme et correcte, des protocoles de test standardisés sont nécessaires.