Le fonctionnement d’un nouveau type de cellules solaires élucidé
Des chercheurs de l’EPFL ont levé le voile sur la façon dont de nouvelles cellules photovoltaïques, qui absorbent la lumière grâce à des semi-conducteurs de type pérovskite à base d’iodure de plomb, transfèrent les électrons le long de leur surface.
Cette découverte prouve qu’il s’agit de cellules solaires inédites et laisse présager des convertisseurs photovoltaïques plus efficaces.
La conversion de l’énergie photovoltaïque jouera un rôle déterminant dans l’avenir planétaire des énergies renouvelables. Or, l’efficacité des cellules solaires dépend fortement des matériaux utilisés pour absorber la lumière. Les nouveaux systèmes photovoltaïques pérovskites à base d’halogénure de plomb sont des procédés révolutionnaires dont le rendement dépasse les 16 %. Toutefois, la manière dont ces cellules s’y prennent pour transformer la lumière en courant électrique restait jusqu’ici obscure. Des scientifiques de l’EPFL expliquent dans Nature Photonics comment les charges générées voyagent à la surface de la pérovskite dans diverses structures de cellules solaires.
Les pérovskites à base d’halogénure de plomb sont depuis peu au coeur de toutes les attentions, car les cellules solaires basées sur ces semi-conducteurs présentant une efficacité de conversion très élevée et une tension inégalée de plus d’un Volt. Cependant, la méconnaissance de leur fonctionnement prétéritait leur future amélioration et le développement de nouvelles technologies plus productives.
Des scientifiques de l’EPFL, collaborant avec l’Institut berlinois sur les combustibles solaires, ont utilisé des techniques de spectroscopie à résolution temporelle pour déterminer de quelle manière les charges se déplacent à la surface des pérovskites. Ces chercheurs ont travaillé sur diverses structures de cellules, en utilisant soit du dioxyde de titane semi-conducteur, soit des couches isolantes de trioxyde d’aluminium. Les deux films poreux ont été imprégnés de pérovskite à base d’iodure de plomb (CH3NH3PbI3) et d’un matériau organique « transporteur de trous » qui aide à extraire les charges positives après l’absorption de lumière. Ces techniques à résolution temporelle ont notamment inclus la spectroscopie laser ultrarapide et la photoconductivité par micro-ondes.
Les résultats obtenus ont mis en évidence deux dynamiques intéressantes. Primo, que la séparation des charges, soit le flux de particules électriques une fois que le rayon de soleil a atteint la pérovskite qui absorbe la lumière, s’est déroulée via un transfert d’électrons aux deux jonctions avec le dioxyde de titane et avec le matériau transporteur de trous, prenant à peine 100 femtosecondes (10–13 s). Secundo, les chercheurs ont découvert que la recombinaison des charges (un processus négatif qui dégrade l’énergie convertie en chaleur et réduit par là même l’efficacité globale de la cellule photovoltaïque) était bien plus lente pour les films d’oxyde de titane que pour ceux fabriqués à base d’aluminium.
Les auteurs en concluent que les pérovskites d’halogénure de plomb sont des semi-conducteurs solaires idéaux, qui permettent un transfert rapide des électrons et des charges positives en deux jonctions simultanées, et charrient efficacement ces deux types de porteurs de charges. Ils soulignent en outre les atouts d’une structure faite de films de dioxyde de titane et de transporteurs de trous.
Source : Marchioro A, Teuscher J, Friedrich D, Kunst M, van de Krol R, Moehl T, Grätzel M & Moser J-E. 2014. Unravelling the mechanism of photoinduced charge transfer processes in lead iodide perovskite solar cells. Nature Photonics doi :10.1038/nphoton.2013.374
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