Des chercheurs de la HTW Berlin et du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ont étudié l’influence de la durée d’impulsion laser pour le modelage P3 nécessaire à l’interconnexion des cellules solaires pérovskites, afin de pouvoir ensuite les transformer en mini-modules PV.
Ils ont analysé les propriétés électriques des lignes de traçage dans le but d’établir des plages de fluence appropriées pour les lasers nanoseconde (ns) et picoseconde (ps), ce qui peut garantir des procédés robustes pour la fabrication de modules à haute performance.
« Les connaissances acquises grâce à cette étude pourraient être directement utilisées pour la production de masse », confie le chercheur Christof Schultz à pv magazine, « ce travail s’appuie sur des études antérieures qui ont examiné les processus d’interaction laser-matériau et déterminé l’influence de la durée de l’impulsion laser et de la fluence laser sur la fonctionnalité électrique des lignes de traçage P2 ».
Les lignes de traçage P1, P2 et P3 correspondent aux trois étapes de traçage pour établir les interconnexions monolithiques entre les cellules des modules. Les étapes P1 et P3 visent à isoler les couches de contact arrière des cellules voisines et l’étape P2 crée un chemin électrique entre le contact arrière d’une cellule et le contact avant d’une cellule adjacente.
L’étape P3 amène souvent des effets indésirables tels que la délamination du contact arrière, l’écaillage ou une mauvaise isolation électrique en raison des résidus qui restent dans la tranchée. Ces problèmes sont probablement attribuables à des interactions entre le laser et le matériau qui n’ont pas été entièrement comprises jusqu’à présent.
Le groupe de recherche allemand a tracé des lignes P3 ns et ps sur des modules solaires pérovskites à trois cellules d’une surface de 2,2 cm2. Les paramètres P1 et P2 étaient les mêmes pour tous les échantillons. Pour analyser la morphologie et la composition de la raie P3, ils ont utilisé des techniques d’analyse de surface, telles que la microscopie électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDX). Ils ont également opté pour la photoluminescence à filtre spectral pour cartographier la distribution de l’iodure de plomb (PbI2) dans les lignes de traçage. Le modelage du module solaire a été réalisé avec un système laser commercial, Rofin Baasel Lasertech.
Avec un motif ps, les scientifiques ont obtenu un rendement de conversion d’énergie d’environ 17%, à une fluence de 2,31 Joule/cm2. En utilisant un laser ns, ils ont remarqué une efficacité supérieure à 19% avec une fluence de 1,36 joule/cm2. Les chercheurs ont alors déclaré que ces valeurs sont représentatives d’une large gamme de fluences appropriées pour une modélisation P3 réussie.
« Les fluences inférieures et supérieures aux plages appropriées peuvent entraîner des rendements de conversion de puissance plus faibles pour les impulsions ns et ps. Des fluences trop faibles entraîneraient une élimination incomplète de la matière et une mauvaise isolation électrique des cellules voisines, tandis que des fluences trop fortes peuvent endommager la couche de contact avant en dessous, en raison de l’impact thermique. »
L’équipe de recherche a également découvert que la configuration ns entraîne une tension en circuit ouvert et un facteur de remplissage légèrement plus élevés, ce qui améliore l’efficacité des modules. L’analyse de la composition des matériaux à l’intérieur et à l’extérieur de la ligne de marquage a montré que la structuration ns entraîne des quantités plus élevées de PbI2 à l’intérieur des lignes. De plus, le laser ns favorise la formation d’une fine couche riche en brome à l’interface entre la pérovskite et la couche de transport des trous (HTL). Le PbI2 et la couche riche en brome sont tous deux capables de passiver les états de défaut électronique aux bords de la ligne de marquage et de bloquer les porteurs de charge à proximité.
« Nos conclusions s’appliquent à tous les composés de pérovskite à base de plomb et d’iodure », souligne Christof Schultz.
Les scientifiques ont décrit cette technique du laser traceur dans l’article Improved Electrical Performance of Perovskite Photovoltaic Mini-Modules through Controlled PbI2 Formation Using Nanosecond Laser Pulses for P3 Patterning, récemment publié dans Energy Technology.
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