Amélioration des pérovskites déposées par évaporation dans les cellules solaires en tandem
BESSY II dévoile comment se forment les couches
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Les cellules solaires en tandem pérovskite-silicium atteignent des rendements nettement supérieurs à ceux des cellules solaires en silicium seules. Une méthode particulièrement intéressante consiste à procéder à la co-évaporation des molécules précurseurs de la pérovskite au-dessus de la sous-cellule en silicium. Des scientifiques de l’HZB ont analysé la croissance du film à l’échelle nanométrique à BESSY II et ont découvert un nouveau moyen d’améliorer la qualité de la couche de pérovskite : l'ajout d'une fine couche d'amorçage de chlorure de césium entre les deux sous-cellules favorise une croissance uniforme de la pérovskite et empêche la formation d'iodure de plomb indésirable à l'interface.
Les cellules solaires tandem monolithiques pérovskite-silicium se caractérisent par une fine couche de pérovskite, qui peut être produite par ce qu’on appelle la co-évaporation de composés précurseurs, un procédé industriel bien établi. Comme couche de transport de trous pour la pérovskite, on utilise ce qu’on appelle des SAM, des molécules organiques qui s’auto-assemblent en une monocouche. Cependant, tant la couche de SAM que la couche de pérovskite doivent se former de manière aussi uniforme que possible sur la surface du silicium. Or, comme les SAM ne forment pas une monocouche parfaite et que, de surcroît, la surface de silicium présente une nanostructure destinée à améliorer l’absorption de la lumière, cela s’avère très délicat.
Au HZB, une équipe a désormais étudié ce problème de manière approfondie à l’aide de diverses méthodes, toutes disponibles au HZB, et a mis au point une solution qui présente également un intérêt pour la production industrielle.
BESSY II révèle comment les couches se forment
À l’aide d’un microscope à sonde à balayage en champ proche (IR-s-SNOM) fonctionnant dans le domaine infrarouge chez BESSY II, ils ont identifié des zones d’épaisseur variable au sein de la couche SAM, allant de monocouches à plusieurs couches, voire à des agglomérats de ces molécules. Ils ont également pu analyser plus en détail comment les couches SAM se forment sur des substrats de silicium plans et texturés, pertinents pour l’industrie. Cela a révélé que les molécules SAM s’accumulent dans les creux de la texture, ce qui entraîne une couche d’épaisseur inégale.
Grâce à la microscopie électronique à photoémission de rayons X (XPEEM) à BESSY II, les scientifiques ont pu étudier la croissance de la pérovskite co-évaporée sur différentes zones du substrat de silicium recouvert de SAM. Leurs résultats montrent que la couche de pérovskite n’a pas pu compenser les hétérogénéités sous-jacentes et que de l’iodure de plomb indésirable s’était formé à l’interface avec le silicium.
Une couche d’amorçage vient à la rescousse
Cependant, l’équipe a mis en œuvre et analysé une solution innovante : une couche de chlorure de césium (CsCl) à l’interface, qui agit comme une couche d’amorçage. « Cela permet la croissance uniforme de couches de pérovskite co-évaporées sur du silicium texturé et empêche la formation de défauts d’interface causés par une couverture inégale de la couche de transport de trous », explique le Dr Viktor Škorjanc, premier auteur de l’article. En conséquence, la qualité de la couche est considérablement améliorée. Cela porte le rendement des cellules solaires en tandem pérovskite-silicium préparées par Stefanie Severin à 30,3 %, ce qui constitue une valeur exceptionnelle pour les pérovskites obtenues par évaporation.
Ce nouveau procédé sous vide ne nécessite pas de solvants et pourrait donc améliorer la stabilité des cellules en tandem, ce qui constituait jusqu’à présent un obstacle majeur à leur commercialisation. « Cela représente une véritable avancée pour transposer les rendements records obtenus en laboratoire en technologies solaires en tandem fiables et pouvant être produites à l’échelle industrielle », déclare le Dr Marcel Roß, chef d’équipe chargé des cellules solaires à pérovskite déposées par évaporation à l’HZB.
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