Des cellules solaires en pérovskite atteignent un rendement de 20%

Les cellules solaires en halogénures de métaux de structure pérovskite  sont très prometteuses en raison de leur rendement élevé et de leur faible coût de fabrication. Mais, jusqu’ici, on ne les obtenait  avec des performances élevées que pour de très petites surfaces (de 0,04 à 0,2 cm2). Des chercheurs de l’EPFL, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse, ont réussi, en diminuant rapidement la pression à un certain stade de la formation des cristaux de pérovskite, à obtenir ces performances pour des cellules de grandes dimensions, de l’ordre du cm2.

La préparation de films minces de cristaux de pérovskite de haute qualité

La pérovskite a désigné à l’origine le titanate de calcium CaTiO3 dont on a figuré ci-dessous la structure cristalline projetée sur un plan d’ atomes de calcium. image insert perovskite_new_250

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On l’applique maintenant à toute structure cristalline de même type  et de formule chimique générale de la forme ABX3 où A et B sont deux cations liés  tous deux à un anion X mais aussi à des composés organiques de formule chimique plus compliquée.

Crédit Wikipedia CC 4.0

 

La méthode conventionnelle de fabrication de films de pérovskite consiste à déposer sur un substrat une solution précurseur des cristaux et à précipiter ceux-ci par l’action d’un produit chimique anti-solvant ou un pompage du solvant. La solution précurseur  est déposée sur un film mésoporeux (pores de 1 à 2 nm) d’oxyde de titane TiO2. La méthode des chercheurs suisses, dite vide éclair (en anglais  vacuum flash–assisted solution process, VASP), consiste à appliquer au dépôt de solution un abaissement de pression soudain, court et contrôlé (pression de 0,2 millibar durant 10 s) qui retire le solvant et accélère la cristallisation. Après un recuit thermique du matériau ainsi obtenu, on obtient des films de cristaux de pérovskite d’une excellente qualité électronique. La méthode du vide éclair permet le dépôt de ces films sur des substrats de grande taille ( 1 cm2 ) et peut facilement être transposée en un procédé continu. Cette technique est applicable à une grande variété de substrats.

Fig.1. Schéma de la fabrication du film de pérovskite A) Enduction centrifuge (en anglais spin-coating) Obtention d’une couche mince uniforme de solution précurseur des cristaux à la surface d’un film mince d’oxyde titane TiO2, lui-même déposé sur un substrat conducteur d’oxyde d’étain (SnO2) dopé au fluor. L’opération est faite à l’air ambiant. B) Application d’un vide éclair (en anglais vacuum flash) à la préparation précédente). On pompe très rapidement (10s à 0,2 millibar) l’enceinte contenant le substrat recouvert de la couche fine puis on remet aussi rapidement à la pression atmosphérique par injection d’air. C) Recuit thermique Tiré de : A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells Xiong Li, Dongqin Bi, Chenyi Yi, Jean-David Décoppet, Jingshan Luo, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel Science 01 Jul 2016: Vol. 353, Issue 6294, pp. 58-62. Reproduit avec permission de AAAS.

Fig.1. Schéma de la fabrication du film de pérovskite de haute qualité
A) Enduction centrifuge (en anglais spin-coating).Obtention d’une couche mince uniforme de solution précurseur des cristaux à la surface d’un film mince d’oxyde titane TiO2, lui-même déposé sur un substrat conducteur d’oxyde d’étain (SnO2) dopé au fluor (FTO en anglais). L’opération est faite à l’air ambiant.
B) Application d’un vide éclair (en anglais vacuum flash) à la préparation précédente). On pompe très rapidement (10 s,  0,2 millibar) l’enceinte contenant le substrat recouvert de la couche fine puis on rétablit aussi rapidement à la pression atmosphérique par injection d’air.
C) Recuit thermique
Tiré de : A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area pérovskite solar cells
Xiong Li, Dongqin Bi, Chenyi Yi, Jean-David Décoppet, Jingshan Luo, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel
Science 01 Jul 2016:
Vol. 353, Issue 6294, pp. 58-62. Reproduit avec autorisation de AAAS.

L’enduction centrifuge (en anglais spin coating) est une technique de dépôt d’une couche mince uniforme sur la surface plane d’un substrat. Pour cela, une quantité déterminée d’une solution est versée sur un substrat maintenu en rotation Sa principale application est l’obtention des diverses couches minces utilisées dans la fabrication des circuits intégrés.

 

Les cristaux de pérovskite utilisés correspondent à la formule FA0.81MA0.15PbI2.51Br0.45  où FA représente l’anion formamidine HC(=NH)NH2 et  MA l’anion méthyl ammonium  (CH3)NH3+ et où  les cations sont l’iode, le plomb et le brome. Ces composants sont dissous dans le solvant  organique diméthylsulfoxyde ( DMSO) pour obtenir une  solution précurseur des cristaux.

La méthode du vide éclair peut également s’appliquer à des formulations  de solutions voisines.

 

La fabrication des cellules solaires

Après l’opération de vide éclair évoquée ci-dessus, les films minces de cristaux de structure pérovskite de formule FA0.81MA0.15PbI2.51Br0.45  sont  recouverts d’une couche fine du composé organique Spiro-OMeTAD [2,2′,7,7′-tetrakis(N,N-di-p-méthoxyphényl-amine)9,9′-spirobifluorène] couramment utilisé comme milieu conducteur de charges positives dans les cellules solaires au pérovskite. Une couche  d’or de 80 nm d’épaisseur déposée par évaporation sous vide constitue l’électrode supérieure.

La figure ci-dessous schématise la configuration d’une photocellule en pérovskite d’une surface active de 1 cm2.

 Fig.2. Schéma d’une photocellule au perovskite obtenue par vide éclair A)Une couche lisse et compacte de perovskite recouvre complètement un film d’oxyde de titane mésoporeux (mp-TiO2) infiltré de perovskite. B) Coupe transversale vue au microscope électronique à balayage (MEB) d’une cellule solaire complète fabriquée par la méthode VASP. Tiré de : A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells Xiong Li, Dongqin Bi, Chenyi Yi, Jean-David Décoppet, Jingshan Luo, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel Science 01 Jul 2016: Vol. 353, Issue 6294, pp. 58-62. Reproduit avec permission de AAAS.

Fig.2. Schéma d’une photocellule au pérovskite obtenue par vide éclair
A) Une couche lisse et compacte de peérovskite infiltre et recouvre complètement un film d’oxyde de titane mésoporeux (mp-TiO2). Ce dernier est  sur une couche dite bloquante de TiO2 massif (bl-TiO2) déposé sur de l’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO, Fluor-doped tin oxyde en anglais)
B) Coupe transversale vue au microscope électronique à balayage (MEB) d’une cellule solaire complète fabriquée par la méthode VASP.
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Xiong Li, Dongqin Bi, Chenyi Yi, Jean-David Décoppet, Jingshan Luo, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel
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Vol. 353, Issue 6294, pp. 58-62. Reproduit avec autorisation de AAAS.

A titre de comparaison, on a représenté sur la figure suivante des images obtenues au microscope à balayage de la surface et d’une section transverse de films de pérovskite fabriqués par procédé conventionnel (à gauche) et par le procédé à vide éclair (VASP) (à droite).

Fig.3. Images au microscope électronique à balayage A)Images de la surface de films de perovskite obtenus, à gauche, par un procédé conventionnel, à droite, par le procédé à vide éclair (VASP). B) images des sections transverses correspondantes Tiré de : A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells Xiong Li, Dongqin Bi, Chenyi Yi, Jean-David Décoppet, Jingshan Luo, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel Science 01 Jul 2016: Vol. 353, Issue 6294, pp. 58-62. Reproduit avec permission de AAAS.

Fig.3. Images au microscope électronique à balayage
A) Images de la surface de films de pérovskite obtenus, à gauche, par un procédé conventionnel, à droite, par le procédé à vide éclair (VASP).
B) Images des sections transverses correspondantes
Tiré de : A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area pérovskite solar cells
Xiong Li, Dongqin Bi, Chenyi Yi, Jean-David Décoppet, Jingshan Luo, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel
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Vol. 353, Issue 6294, pp. 58-62. Reproduit avec autorisation de AAAS.

 

On remarque sur la figure précédente que le film de pérovskite  préparé par le procédé conventionnel (à gauche) ne couvre pas entièrement le substrat de TiO2 mésoporeux à la différence du film obtenu par VASP (à droite).  Ce dernier est homogène, sans trous et formé de grains de tailles comprises entre 400 nm et 1000 nm (1 µm), bien plus élevées que celles du film de gauche.

Des mesures spectroscopiques ont montré aussi que les films obtenus par VASP ont une plus forte absorption lumineuse, en particulier aux faibles longueurs d’onde, que ceux obtenus par procédé conventionnel.

Le rendement des cellules solaires est défini par  le rapport de la puissance électrique fournie à la puissance lumineuse absorbée. Il atteint, dans le cas des cellules solaires obtenues par le procédé de vide éclair, une valeur de 20%.

Ceci constitue  une remarquable avancée pour la technologie des cellules solaires au  pérovskite qui connaît déjà un développement industriel et est à la fois simple et de faible coût.

 

 

On pourrait d’ailleurs associer cette technique à celle des cellules solaires au silicium en déposant la pérovskite sur un support de ce matériau. On augmenterait ainsi le spectre d’énergie solaire converti en électricité : les photons de plus courte longueur d’onde seraient absorbés par le film de pérovskite, ceux de plus grande longueur d’onde le traverseraient et seraient absorbés par le silicium. On pourrait alors atteindre un rendement de l’ordre de 30%.

 

 

Pour en savoir plus :

A vacuum flash–assisted solution process for high-efficiency large-area pérovskite solar cells

Xiong Li, Dongqin Bi, Chenyi Yi, Jean-David Décoppet, Jingshan Luo, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel

Science  01 Jul 2016:
Vol. 353, Issue 6294, pp. 58-62

 

 

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