Un grand pas vers des cellules solaires à pérovskites stables et sans plomb
La structure et les propriétés fascinantes des pérovskites les ont propulsées à l’avant-garde de la recherche sur les matériaux pour un large éventail d’applications. Les pérovskites aux halogénures métalliques (un sous-ensemble de pérovskites hybrides organiques-inorganiques contenant des ions halogénures comme l’iodure ou le bromure) sont particulièrement remarquables en raison leur potentiel inégalé pour convertir la lumière solaire en électricité. Depuis leur découverte en 2009, ces matériaux émergents n’ont cessé de voir leur rendement augmenter, passant de 3,8 % à plus de 25 %. Leur utilisation est séduisante pour plusieurs raisons. Les ingrédients qui les constituent sont abondants, et les chercheurs peuvent facilement les combiner en couches minces possédant une structure hautement cristalline similaire à celle des plaquettes de silicium après un traitement coûteux à haute température. Des rouleaux minces et flexibles de pérovskite transparente pourraient un jour être rapidement déroulés à partir d’une imprimante 3D pour fabriquer des feuilles solaires légères et colorées intégrées aux fenêtres et aux façades des bâtiments, un exploit que les cellules solaires en silicium auront bien du mal à imiter. Malheureusement, les pérovskites d’halogénures métalliques peuvent se dégrader rapidement car elles sont sensibles à l’humidité et à la chaleur. Outre ce problème de stabilité, la toxicité du plomb est l’un des obstacles les plus épineux ayant entravé la commercialisation des pérovskites. Le projet TinPSC, qui a bénéficié d’un financement Marie Skłodowska-Curie, a été mis en place pour relever ces défis.
Des structures à double pérovskite sans plomb
«Nous nous sommes concentrés sur le développement de doubles pérovskites sans plomb, une toute nouvelle génération de composés dans lesquels un métal monovalent et un métal trivalent remplacent le plomb bivalent. Nous nous sommes appuyés sur des travaux antérieurs couronnés de succès, qui ont abouti à un dispositif très stable affichant d’excellentes propriétés électroniques et des longueurs de diffusion dépassant les 100 nm. Des valeurs aussi élevées témoignent de la qualité du matériau et de son adéquation à un usage optoélectronique», fait remarquer Feng Wang, coordinateur de TinPSC. Les activités du projet se sont principalement concentrées sur des stratégies efficaces permettant de réduire la bande interdite des doubles pérovskites sans plomb, un facteur limitant commun qui nuit à une absorption efficace de la lumière. La beauté des pérovskites tient au fait qu’elles permettent aux chercheurs d’ajuster la bande interdite à leur guise en jouant sur le mélange des ingrédients, ce qui augmente les chances d’améliorer l’efficacité de l’absorption. «Nous avons réussi à élargir la plage d’absorption du Cs2AgBiBr6 jusqu’au proche infrarouge à l’aide du dopage au cuivre. Les résultats montrent que le dopage au cuivre affecte faiblement les bandes de valence et de conduction de la structure hôte, alors qu’il introduit des états de bande interdite intermédiaires qui favorisent fortement l’absorption du rayonnement infrarouge. Il est encore plus intéressant de noter que l’état proche de la bande interdite peut générer des porteuses de bande considérables par excitation dans le proche infrarouge», explique Feng Wang. Les chercheurs ont également mis au point une stratégie d’ingénierie cristalline pour modifier la bande interdite des matériaux. «En contrôlant simplement la température et la vitesse de croissance des cristaux, nous avons réduit la largeur de la bande interdite à un niveau record de 1,72 eV. C’est la plus petite bande interdite jamais obtenue pour le Cs2AgBiBr6 dans des conditions normales», ajoute Fend Wang. Le rétrécissement de la bande interdite a été confirmé par des mesures d’absorption et de photoluminescence.
Améliorer la stabilité à la chaleur et à l’humidité
Comme toute architecture de dispositif de cellules solaires, un film mince de pérovskite est pris en sandwich entre deux couches d’extraction de charges. Lors de l’exposition à la lumière, les trous et les électrons produits dans le réseau de la pérovskite se déplacent vers les couches extérieures, créant un courant électrique. Les couches de transport des trous et des électrons jouent un rôle essentiel dans la suppression des pertes par recombinaison dans les interfaces, où les électrons sont détournés de leur parcours vers la sortie de cellule. La stabilité de la couche de transport détermine en grande partie la stabilité de l’ensemble du dispositif. L’équipe du projet a mis au point un système unique pour protéger la couche de transport des trous de l’humidité et la chaleur, mais préfère garder la plupart des détails secrets. Elle affirme que les dispositifs en pérovskite des cellules solaires ainsi obtenues seront beaucoup plus stables par rapport à ce qui se fait de mieux actuellement.
Mots‑clés
TinPSC, pérovskite, cellule solaire, stabilité, sans plomb, humidité, pérovskites aux halogénures métalliques, silicium, couche de transport des trous