Révolutionner l’énergie solaire grâce aux pérovskites
Des décennies de recherches sur les cellules solaires ont démontré qu’il existait une limite théorique absolue – appelée limite de Shockley-Queisser – à l’efficacité de conversion des cellules solaires. L’efficacité de conversion maximale des jonctions uniques semi-conductrices optimisées peut à peine dépasser 30 %. Afin de produire des cellules solaires dotées de limites d’efficacité plus élevées, il est nécessaire d’établir de nouveaux concepts permettant de surmonter les limites des mécanismes fondamentaux de la conversion d’énergie des cellules solaires à jonction unique. Des technologies très prometteuses qui utilisent la fission de singulet sont peut-être à la veille d’une avancée dans ce domaine. Dans le cadre du projet SOLAR BEYOND SILICON, financé par l’UE, des scientifiques ont étudié les façons de renforcer l’efficacité des cellules solaires à pérovskite pour pouvoir rivaliser avec le silicone, la technologie qui règne en maître sur le marché. La fission de singulet: Améliorer l’efficacité des cellules solaires Les cellules solaires à jonction unique ont toutes en commun le même mécanisme fondamental de perte d’énergie: la thermalisation. «À l’instar de l’absorption d’un photon de basse énergie, l’absorption d’un photon de haute énergie crée une paire électron-trou», explique le professeur Richard Friend. «L’énergie supplémentaire des photons au-delà de la bande interdite est perdue par relaxation thermique menant à la limite de Shockley-Queisser en matière d’efficacité, qui s’établit à environ 30 % pour une cellule semi-conductrice idéale.» La fission des excitons singulets est un processus qui permet de surmonter cette limite en évitant les pertes dues à la relaxation. Ainsi, la photoexcitation d’un matériau capable de subir la fission avec un photon de haute énergie donne naissance à un exciton singulet spin capable d’être soumis à un processus de conservation de spin pour générer deux excitons triplets, chacun transportant environ la moitié de l’énergie. Son incorporation dans un second matériau (comme une pérovskite), qui absorbe les photons de basse énergie et dissocie les excitons triplets, permet au dispositif à cellules solaires de dépasser la limite d’efficacité. L’équipe du projet a utilisé certaines des propriétés uniques des semi-conducteurs organiques pour parvenir à surmonter les limites des cellules solaires à jonction unique. Plus précisément, les scientifiques ont combiné la fission de singulet dans des semi-conducteurs organiques, comme le pentacène ou le tétracène, avec des pérovskites spécifiques à faible bande interdite. «Nous sommes parvenus à prouver qu’il était possible de créer des cellules solaires fonctionnelles à faible coût et à haute efficacité à partir de ces matériaux, et que le transfert de charges au niveau de l’interface entre ces matériaux pouvait être observé,» déclare le docteur Sam Stranks, chercheur qui participe au projet. L’un des facteurs limitants de cette approche est la migration des ions dans les matériaux sous illumination. Les travaux réalisés dans le cadre du projet ont permis de mieux comprendre ce problème grâce à la création de la première visualisation de la migration des ions et à la mise en place d'une approche de passivation unique permettant d’atténuer ce phénomène ainsi que les autres effets parasites. Ces avancées ont créé un tremplin qui permettrait aux cellules solaires à pérovskite de prendre l’avantage sur le silicone. Le projet SOLAR BEYOND SILICON a approfondi la compréhension de la recombinaison, de la migration des ions et d’autres processus de perte d’énergie qui se produisent dans les pérovskites. Les scientifiques ont contribué à 22 articles et rapports de revues à comités de lecture. L’un de ces articles a été le premier à attester la bande interdite de pérovskites à halogénure métallique. Cette découverte a été publiée dans la revue Nature Materials en octobre 2016 et a suscité un véritable engouement, car elle a ouvert des perspectives nouvelles et passionnantes dans ce domaine.
Mots‑clés
SOLAR BEYOND SILICON, pérovskites, cellules solaires à jonction unique, énergie solaire, limite de Shockley-Queisser, semi-conducteurs organiques
