Une cellule tandem pérovskite dopée au graphène atteint un rendement de 26,3 %

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Des chercheurs de deux institutions italiennes affirment avoir développé une cellule solaire tandem pérovskite-silicium à deux bornes dont le rendement de conversion dépasse 26 %.

Décrite dans l’article Mechanically Stacked, Two-Terminal Graphene-Based Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with Efficiency over 26% publié dans la revue Joule, la cellule offrirait les avantages des procédés de production de pérovskite en couche mince et les performances des dispositifs à hétérojonction à base de silicium.

Les développeurs – de l’Agence nationale italienne pour les nouvelles technologies, l’énergie et le développement économique durable (ENEA) et de l’Université Tor Vergata de Rome – ont déclaré que la structure à deux bornes nécessitait moins d’électrodes dans la pile, réduisant la quantité de lumière absorbée et perdue par ces dispositifs. Ce modèle permettrait également de réduire les coûts de production par rapport aux alternatives à quatre bornes.

Graphène

Les scientifiques ont ajouté du graphène à la couche sélective d’électrons en dioxyde de titane (TiO2) utilisée dans la cellule à pérovskite pour augmenter la stabilité chimique des films de pérovskite et la durabilité de la cellule.

Des particules de graphène ont été déposées sur un précurseur de dioxyde de titane et des solutions de nanoparticules de TiO2. « Il a été démontré qu’une si petite quantité de dopage de particule de graphène était suffisante pour augmenter les performances photovoltaïques des cellules solaires mésoscopiques (de l’ordre du nanomètre au micromètre) en pérovskite sans modifier l’absorption optique de l’ensemble du dispositif », ont déclaré les chercheurs.

Au lieu d’utiliser une pérovskite classique à base d’iodure de méthylammonium et de plomb (MAPbI3), l’équipe de recherche a déclaré avoir opté pour une pérovskite à cations mixtes et à halogénures mixtes afin d’obtenir la meilleure bande optique et une meilleure stabilité.

Assemblage des cellules

La cellule à deux bornes a été réalisée en appliquant une « approche mécanique » pour empiler deux sous-cellules qui ont été fabriquées et optimisées séparément. « La cellule supérieure optimisée, bifaciale, mésoscopique, en pérovskite a été empilée mécaniquement sur une cellule inférieure en silicium en appliquant une pression d’environ 1kg/cm² sur la zone de contact entre les deux sous-cellules », a déclaré le groupe italien.

Une pulvérisation magnétron a été utilisée pour déposer une contre-électrode d’oxyde d’indium et d’étain sur la couche sélective de trous et a ensuite été utilisée comme contact arrière de la cellule supérieure. Les chercheurs affirment avoir trouvé une épaisseur idéale de contre-électrode pour réduire les pertes optiques par réflexion.

Selon les scientifiques, le couplage efficace des deux cellules a permis d’obtenir un facteur de remplissage élevé de 75,6 %. « Ces cellules solaires pérovskites bifaciales optimisées ont été utilisées comme cellules supérieures dans des dispositifs en tandem adoptant des cellules inférieures c-Si [silicium cristallin] et Si HJT [hétérojonction de silicium] texturées sur les deux faces, atteignant un PCE [efficacité de conversion de puissance] record de 26,3 % en mode de balayage de tension inverse (25,7 % en mode de balayage de tension avant et PCE stabilisé de 25,9 %) sur une surface active de 1,43 cm² », précise le document.

Le coordinateur de la recherche, Mario Tucci, a ajouté : « Le graphène a amélioré les performances dans la cellule pérovskite tandis que la structure d’hétérojonction avec des films amorphes dans la cellule de silicium arrière a permis d’augmenter la tension. »