Tongwei atteint un rendement de 31,4 % pour une cellule solaire tandem pérovskite-silicium

D’après pv magazine International

Des scientifiques chinois, dirigés par une équipe de recherche du Centre technologique photovoltaïque de Tongwei Co., Ltd, une division du fabricant solaire Tongwei, ont utilisé un processus de recuit séquentiel à basse température pour fabriquer des cellules solaires tandem à deux bornes, dotées d’une cellule supérieure en pérovskite à large bande interdite (1,73 eV) sur une cellule inférieure hétérojonction en silicium cristallin (SHJ) entièrement texturée.

Ce dispositif tandem a été certifié par l’Institut national des technologies de mesure et d’essai (NIMTT) et par l’Institut de métrologie du Fujian (FJIM). Cette recherche est décrite dans l’article « Crystallization Modulation of Wide-Bandgap Perovskites on Textured Silicon for Tandem Solar Cells » (Modulation de la cristallisation des pérovskites à large bande interdite sur du silicium texturé pour les cellules solaires tandem), publié dans ACS Energy Letters.

« Grâce à un processus de recuit séquentiel soigneusement modulé dans l’environnement ambiant, nous obtenons des films de pérovskite à large bande interdite de haute qualité, développés de manière conforme sur des substrats de silicium entièrement texturés, avec moins de défauts et une distribution homogène de la composition. Ce procédé permet d’obtenir des tandems pérovskite-silicium avec un rendement de conversion énergétique (PCE) certifié de 31,4 %, ce qui le place parmi les dispositifs tandem les plus performants utilisant des sous-cellules en silicium commerciales », a déclaré Yuchao Hu, auteur correspondant de la recherche, à pv magazine International.

Consciente des défis liés à l’utilisation d’une méthode conventionnelle en deux étapes par évaporation-solution pour former des pérovskites à large bande interdite sur des cellules commerciales SHJ à fond en silicium, l’équipe de recherche a étudié des moyens de surmonter les effets complexes induits par l’humidité et la chaleur sur la cristallisation et la dégradation des films de pérovskite.

L’influence des conditions externes

En collaboration avec l’Université des sciences et technologies électroniques de Chine, elle a ainsi analyser le processus de transition de phase de la pérovskite, afin de révéler le mécanisme cinétique de cristallisation des pérovskites à large bande interdite, « clarifiant les mécanismes d’influence des conditions externes », telles que l’humidité et la chaleur, sur la cristallisation du film.

« Pour surmonter cette question complexe, nous avons développé une stratégie de cristallisation séquentielle et réalisé des modulations fines à la fois sur les processus de diffusion des halogénures organiques et de recristallisation de la pérovskite. Cette stratégie innovante a permis la fabrication de films de pérovskite à large bande interdite de haute qualité, présentant des composants chimiquement homogènes et des défauts réduits sur des cellules en silicium à grandes pyramides », a précisé Yuchao Hu.

« Le processus de recuit nécessite des températures aussi basses que 100 à 150 °C et des durées inférieures à une demi-heure », a déclaré Yuchao Hu, expliquant que ces conditions sont « facilement réalisables » avec des équipements de recuit industriels bien établis, tels que les fours tunnels, « démontrant ainsi un fort potentiel d’industrialisation du processus ».

Le matériau pérovskite utilisé pour la cellule supérieure était composé d’iodure de formamidinium (FAI), de bromure de formamidinium (FABr), de bromure de césium (CsBr) et d’additifs. Les sous-cellules SHJ étaient basées sur des plaquettes de silicium de type n, entièrement texturées, d’une épaisseur de 110 μm. Un revêtement d’oxyde conducteur transparent (TCO) a été déposé sur la face arrière, suivi d’électrodes en argent (Ag), et sur la face avant, une couche d’oxyde d’indium-étain (ITO) a été déposée.

La structure de la sous-cellule en pérovskite à structure p-i-n était la suivante : couche de transport de trous (HTL) en oxyde de nickel (NiOx), 2PACz, couche de structure en iodure de plomb (PbI2), absorbeur en pérovskite, passivation en diiodure d’éthylènediammonium (EDAI2), couche de transport d’électrons en buckminsterfullerène (C60), couche tampon en SnOx, TCO, contacts en Ag, revêtement antireflet (ARC) en fluorure de lithium (LiF).

La bande interdite énergétique des films de pérovskite est de 1,73 eV, ce qui « répond bien aux exigences de gestion de la lumière pour les plaquettes de silicium c-silicium commerciales de 110 μm utilisées », ont noté les chercheurs.

Une prochaine ligne pilote tandem

L’un des dispositifs cibles les plus performants a été certifié avec un rendement de 31,4 %, une tension en circuit ouvert de 1,905 V, un facteur de remplissage de 81,20 % et une densité de courant de court-circuit de 20,30 mA/cm2. Il a surpassé le dispositif de contrôle préparé à l’aide de la procédure de recuit conventionnelle, qui avait un rendement de 29,43 %, une tension en circuit ouvert de 1,915 V, un facteur de remplissage de 75,67 % et une densité de courant de court-circuit de 20,31 mA/cm2.

L’équipe se concentre désormais sur « la fabrication à grande échelle de cellules solaires tandem 210 pleine grandeur, de modules tandem conformes aux normes industrielles et leur stabilité opérationnelle dans des conditions de travail en extérieur », d’après Yuchao Hu.

Dans une déclaration concernant cette recherche, Tongwei a indiqué que son laboratoire de recherche sur les cellules tandem pérovskite-silicium avait été créé au troisième trimestre 2022, afin d’industrialiser les cellules tandem en suivant une feuille de route technologique compatible avec ses lignes de production hétérojonction existantes : « L’accent est mis sur la résolution des principaux obstacles techniques à la production en série dans la conception des cellules tandem, la formation de films conformes à surface texturée, la passivation des interfaces, la métallisation à basse température et l’encapsulation des modules ».

La société a également indiqué qu’elle prévoyait de construire cette année une ligne pilote tandem à l’échelle du mégawatt.

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