Un nouveau concept pour le photovoltaïque

Le groupe du professeur Yana Vaynzof du Centre intégré pour la physique et les matériaux photoniques (IAPP) et du Centre pour l'avancement de l'électronique de Dresde (cfaed) de l'université technique de Dresde a démontré un nouveau concept pour les cellules solaires, qui exploite la capacité des matériaux à exister dans différentes phases cristallines. L'étude en question a été publiée dans la revue "Nature Energy".

L'objectif d'une cellule photovoltaïque est de convertir la lumière du soleil en électricité. En absorbant la lumière du soleil, des paires de porteurs de charge sont générées et doivent ensuite être guidées vers les côtés opposés de la diode photovoltaïque pour produire du courant électrique. Pour faciliter ce processus, la plupart des cellules solaires comportent une hétérojonction qui fournit un paysage énergétique favorable à la séparation des charges. Par exemple, les cellules solaires au silicium forment une hétérojonction en dopant électriquement chaque côté du dispositif, ce qui forme une jonction p-n. Les cellules solaires organiques, quant à elles, reposent sur le mélange de différents types de matériaux (donneur et accepteur) pour former une hétérojonction de masse. Cependant, ces concepts ne sont souvent pas applicables aux classes émergentes de nouveaux matériaux photovoltaïques.

Le professeur Vaynzof et son équipe ont maintenant démontré un concept entièrement nouveau pour la formation d'une hétérojonction pour le photovoltaïque. Pour ce faire, les chercheurs tirent parti du fait que les matériaux peuvent souvent exister dans différentes configurations structurelles, appelées phases cristallines. Ce phénomène, appelé polymorphisme, signifie que le même matériau peut présenter des propriétés différentes, en fonction de l'arrangement spécifique des atomes et des molécules dans sa structure. En reliant deux phases du même matériau, le professeur Vaynzof et son équipe ont démontré pour la première fois la formation d'une cellule solaire à hétérojonction de phases. Plus précisément, les chercheurs ont choisi une pérovskite à base d'iodure de plomb et de césium - un matériau absorbant très efficace pour les cellules solaires - dans les phases bêta et gamma pour réaliser leur nouveau concept.

"Les propriétés optiques et électroniques de l'iodure de césium et de plomb dans ses phases bêta et gamma sont différentes les unes des autres", explique le professeur Vaynzof. "En plaçant une perovskite gamma au-dessus de la perovskite bêta, nous avons pu fabriquer une cellule solaire à hétérojonction de phase, qui est nettement plus efficace que les cellules solaires basées sur des perovskites à phase unique." Les chercheurs montrent dans leur étude, que la couche supérieure de la phase gamma influence les performances des cellules solaires de multiples façons. "Même de fines couches de gamma-pérovskite ont conduit à une amélioration des performances en raison de la passivation des défauts à la surface de la couche inférieure. Des couches plus épaisses de gamma-phase ont entraîné une amélioration significative de tous les paramètres de performance photovoltaïque, le dispositif champion atteignant un rendement de conversion de puissance de plus de 20 %", ajoute Ran Ji, auteur principal de l'étude. "Une analyse spectroscopique avancée a révélé que cette amélioration des performances est associée à une absorption accrue de la lumière et à la formation d'un alignement énergétique avantageux entre les deux phases", explique le professeur Vaynzof. Fait important, les chercheurs ont confirmé que l'hétérojonction de phases reste stable pendant le fonctionnement de la cellule solaire et supprime même la migration des ions dans l'absorbeur de la cellule solaire, résolvant ainsi un problème courant pour les matériaux pérovskites.

Pour réaliser le concept d'hétérojonction de phase, les scientifiques ont utilisé deux procédés de fabrication différents pour les couches supérieure et inférieure. Cette approche polyvalente ouvre la voie à la formation d'autres structures de ce type à l'avenir. "Nous espérons que ce nouveau concept, associé à une méthode de fabrication simple pour les hétérojonctions de phase, sera également applicable à divers systèmes de matériaux dans une gamme de dispositifs électroniques et optoélectroniques", déclare le professeur Vaynzof. Étant donné que de nombreuses classes de semi-conducteurs présentent un polymorphisme, le concept pourrait ouvrir la voie à des applications entièrement nouvelles qui fonctionnent sur la base d'hétérojonctions de phase, qui peuvent être créées à partir d'un seul matériau à l'aide de procédés de fabrication simples et peu coûteux.