Des cellules photovoltaïques dotées de nouvelles interfaces : des matériaux bidimensionnels novateurs augmentent l'efficacité

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MOSCOU, 23 septembre 2019 /PRNewswire/ --- Des scientifiques de l'université NUST MISIS (Russie) et de l'université romaine Tor Vergata ont découvert qu'une quantité microscopique de carbure de titane bidimensionnel appelé « MXene » améliore considérablement la collecte des charges électriques dans une cellule photovoltaïque à pérovskites, ce qui augmente son efficacité finale de plus de 20 %. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Nature Materials.

La cellule photovoltaïque à couche mince en pérovskite est une nouvelle technologie prometteuse pour les sources d'énergie alternatives, qui est activement développée dans le monde entier. Parmi ces avantages, citons un processus de production simple et peu coûteux : les cellules photovoltaïques à pérovskites peuvent être imprimées à partir d'une solution sur des imprimantes spéciales à jet d'encre ou à fluides durcissables (slot-die) sans l'utilisation de procédés haute température / sous vide comme pour les cellules traditionnelles en silicium. Un autre avantage est la possibilité de fabriquer avec des substrats en plastique flexible, comme le poly-téréphtalate d'éthylène (PET) courant. Cette caractéristique permet l'utilisation des cellules photovoltaïques (PV) à pérovskites dans l'intégration au bâtiment par le biais du montage de la couche mince sur les murs et / ou dans différents autres endroits, tels que les façades en verre courbé et les fenêtres.

Comme il s'agit d'une nouvelle technologie photovoltaïque, la recherche internationale doit s'efforcer de trouver la meilleure stratégie pour améliorer l'efficacité et la stabilité des cellules solaires à pérovskites. Le rendement des cellules solaires à pérovskites est d'ores et déjà comparable à celui des modèles équivalents en silicium, qui dominent le marché (le rendement maximal pour une cellule à pérovskites est de 25,2 %, tandis que celui des cellules de silicium est de 26,7 %), mais les cellules photovoltaïques à pérovskites sont encore instables en raison de plusieurs facteurs de dégradation interne. De nombreux groupes de recherche des universités et des entreprises de R & D redoublent actuellement de recherches et d'études pour résoudre les problèmes de stabilité et d'amélioration de l'efficacité des cellules à pérovskites. La plupart des approches penchent vers l'optimisation de la composition chimique de la pérovskite, la stabilisation des interfaces des dispositifs et l'incorporation de nouveaux nanomatériaux.

Une équipe internationale de scientifiques du L.A.S.E. (Laboratory for Advanced Solar Energy), Département des nanosystèmes fonctionnels et des matériaux à haute température, situé à la fois dans l'université NUST MISISIS, en Russie et l'université romaine Tor Vergata, dirigée par le professeur Aldo Di Carlo, a proposé une approche originale pour concevoir des cellules photovoltaïques à pérovskites aux performances accrues, qui inclut notamment l'utilisation de composés bidimensionnels en carbure de titane, appelés « MXenes », qui stimulent les pérovskites.

« Nous découvrons que les MXenes peuvent, grâce à leur structure bidimensionnelle unique, être utilisés pour ajuster les propriétés de surface de la pérovskite, ce qui forge une nouvelle stratégie d'optimisation pour cette cellule photovoltaïque de troisième génération », commente le Professeur Di Carlo.

La cellule solaire à couche mince en pérovskite a une structure en sandwich, où les charges se déplacent de couche en couche à travers les interfaces et collectent de manière sélective au niveau des électrodes, grâce à quoi l'énergie de la lumière solaire est convertie en courant électrique. En clair, les électrons devraient être transportés depuis le film absorbant vers les électrodes sans pertes pouvant être induites par les barrières énergétiques internes, et l'incorporation des MXenes améliore ce processus.

« Pour améliorer l'efficacité des cellules solaires à pérovskites, nous devons optimiser la structure du dispositif, maîtriser l'interface et renforcer les propriétés de chaque couche pour améliorer le processus d'extraction de charge vers les électrodes », commente Danila Saranin, l'un des auteurs, chercheur au L.AS.E. et il ajoute : « Pour résoudre ce problème, nous avons réalisé avec nos collègues italiens une série d'expériences en incorporant une quantité microscopique de MXenes dans la cellule photovoltaïque à pérovskites. En conséquence, nous avons obtenu une augmentation de l'efficacité des dispositifs de plus de 25 % par rapport aux prototypes d'origine ».

Les MXenes ont été successivement introduits dans différentes couches de la cellule solaire à pérovskites : la couche photo-absorbante, la couche de transport d'électrons à base de dioxyde de titane et dans l'interface qui les sépare. Après avoir analysé les rendements de sortie des dispositifs, nous avons découvert que la configuration la plus efficace est celle où les MXenes sont introduits dans toutes les couches, y compris dans l'interface. Les résultats expérimentaux sont confirmés par une modélisation appropriée des structures obtenues.

Ce travail est unique : c'est le premier rapport qui décrit non seulement une série d'expériences et les résultats obtenus, mais qui comporte aussi une explication claire des mécanismes qui se produisent dans la cellule solaire à pérovskites modifiée, du point de vue physico-chimique.

« Le principal résultat de ces travaux est l'identification des changements survenus dans les propriétés électriques des semi-conducteurs, en raison de l'introduction des MXenes. Ce nouveau nanomatériau possède donc un grand potentiel d'utilisation dans la production à grande échelle », ajoute Anna Pazniak, l'une des auteurs.

Actuellement, l'équipe tente de stabiliser le dispositif obtenu et d'accroître son efficacité. L'étude a été financée dans le cadre du programme Megagrant que mène le gouvernement de la Fédération de Russie.

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