Les matériaux solaires de nouvelle génération offrent une alternative plus économique et plus respectueuse de l'environnement aux cellules solaires au silicium traditionnelles, mais il reste des défis à relever pour rendre ces dispositifs suffisamment durables pour résister aux conditions réelles. Une nouvelle technologie développée par une équipe internationale de scientifiques pourrait simplifier le développement de cellules solaires au peroxyde efficaces et stables, nommées pour leur structure cristalline unique qui excelle dans l'absorption de la lumière visible.
Des scientifiques, dont Nelson Dzade, membre du corps professoral de Penn State, rapportent dans la revue Nature Energy que leur nouvelle méthode permet de fabriquer des cellules solaires au peroxyde plus durables tout en atteignant un rendement élevé de 21,59 % dans la conversion de la lumière solaire en électricité.
Le diopside est une technologie solaire prometteuse car les cellules peuvent être fabriquées à température ambiante en utilisant moins d'énergie que les matériaux traditionnels en silicium, ce qui les rend moins chères à produire et plus durables, a déclaré Dezadeh, professeur adjoint de la famille John et Willie Leon d'ingénierie énergétique et minérale au Département d'ingénierie énergétique et minérale et co-auteur de l'étude. Mais les principaux candidats à la construction de ces dispositifs, les halogénures métalliques hybrides organiques-inorganiques, contiennent des composants organiques sensibles à l'humidité, à l'oxygène et à la chaleur, et peuvent provoquer une dégradation rapide des performances lorsqu'ils sont exposés à des conditions réelles, affirment les scientifiques.
Une solution consiste à passer à des matériaux péritectiques entièrement inorganiques tels que l’iodure de césium et de plomb, qui offrent de bonnes propriétés électriques et une résistance exceptionnelle aux facteurs environnementaux. Cependant, le matériau est polycristallin, ce qui signifie qu’il comporte plusieurs phases avec des structures cristallines différentes. Deux des espèces photoactives sont relativement bonnes pour les cellules solaires, mais elles peuvent facilement se transformer en phases pauvres et non photoactives à température ambiante, introduisant des défauts qui réduisent l'efficacité des cellules solaires, ont indiqué les scientifiques.
Technologie révolutionnaire à hétérojonction de phase
Les scientifiques ont combiné deux polycristaux photoactifs d'iodure de césium et de plomb pour former une hétérojonction de phase, qui inhibe la transition vers des phases indésirables. Les hétérojonctions sont formées en empilant différents matériaux semi-conducteurs dotés de propriétés optoélectroniques différentes, un peu comme les couches des cellules solaires. Ces jonctions dans les appareils solaires peuvent être personnalisées pour aider à absorber plus d’énergie du soleil et à la convertir plus efficacement en électricité.
"La beauté de ce travail est qu'il montre que l'utilisation de deux polycristaux du même matériau pour créer des cellules solaires à hétérojonction de phase est une approche viable", a déclaré Dzade. "Cela améliore la stabilité du matériau et empêche l'interconversion entre les deux phases. L'interface cohérente formée entre les deux phases permet aux électrons de circuler facilement à travers le dispositif, augmentant ainsi l'efficacité de la conversion de puissance. C'est ce que nous avons démontré dans ce travail."
Le dispositif créé par les chercheurs a atteint un rendement de conversion de puissance de 21,59 %, ce qui est l'un des niveaux les plus élevés de ce type de méthode, et présente une excellente stabilité. De plus, l'appareil peut toujours conserver plus de 90 % de son efficacité initiale après 200 heures de stockage dans des conditions ambiantes.
"Lorsqu'elle a été adaptée du laboratoire aux modules solaires réels, notre conception a atteint un rendement de conversion d'énergie de 18,43 % avec une surface de cellule solaire dépassant 7 pouces carrés (18,08 centimètres carrés)", a déclaré Dzade. "Ces résultats préliminaires mettent en évidence le potentiel de notre approche pour développer de très grands modules de cellules solaires au peroxyde et évaluer de manière fiable leur stabilité."
Les chercheurs ont modélisé les propriétés structurelles et électroniques de l'hétérojonction à l'échelle atomique et ont découvert que la combinaison des deux photoactivités crée une structure interfaciale stable et cohérente qui favorise une séparation et un transfert efficaces de charges - propriétés souhaitables pour les dispositifs solaires efficaces.
Les collègues de Dzade de l'Université nationale de Chonnam en Corée du Sud ont développé une méthode unique de double dépôt pour fabriquer le dispositif : une phase déposée à l'aide de la technologie à air chaud et l'autre à l'aide d'une technologie d'évaporation thermique à trois sources. Sawanta S. Mali, professeur-chercheur à l'Université de Chonnam en Corée du Sud et premier auteur de l'article, a déclaré que l'ajout d'une petite quantité de molécules et d'additifs organiques pendant le processus de dépôt améliore encore les performances électriques, l'efficacité et la stabilité de l'appareil.
"Nous pensons que la technologie de double dépôt que nous avons développée dans ce travail aura des implications importantes pour la fabrication de cellules solaires au peroxyde efficaces et stables", a déclaré Nelson Dzade, co-auteur de l'étude, professeur adjoint de la famille John et Willie Leon d'ingénierie énergétique et minérale au Département d'ingénierie énergétique et minérale.
Les chercheurs affirment que cette technique de double dépôt pourrait ouvrir la voie au développement d’un plus grand nombre de cellules solaires basées sur des composants péritectiques entièrement inorganiques ou d’autres composants péritectiques aux halogénures. En plus d'étendre la technologie à différentes compositions, les travaux futurs consistent notamment à rendre les cellules à hétérojonction de phase actuelles plus durables dans des conditions réelles et à les adapter aux dimensions des panneaux solaires traditionnels, selon les chercheurs.
"Grâce à cette approche, nous pensons que dans un avenir proche, nous devrions être en mesure d'atteindre des gains d'efficacité supérieurs à 25 pour cent", a déclaré Dzade. "Une fois que nous y parviendrons, la commercialisation approche à grands pas."