Un bref rapport d'avancement sur les cellules solaires à pérovskite à haute efficacité

Introduction

Environ 85 % des besoins énergétiques mondiaux sont actuellement satisfaits par des combustibles fossiles épuisables qui ont des conséquences néfastes sur la santé humaine et l'environnement. De plus, la demande énergétique mondiale devrait doubler d'ici 2050 [1].

Par conséquent, le développement des énergies renouvelables, telles que l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique et l'énergie solaire, devient une exigence imminente. La capacité de production d'électricité à base d'énergies renouvelables est estimée à 128 GW en 2014, dont 37 % d'énergie éolienne, près d'un tiers d'énergie solaire et plus d'un quart d'énergie hydraulique (Fig. 1 a). Cela représentait plus de 45 % des ajouts de capacité de production d'électricité dans le monde en 2014, conformément à la tendance générale à la hausse de ces dernières années.

un Ajouts de capacité mondiale d'énergie renouvelable par type et part des ajouts de capacité totale [60]. b Évolution rapide du PCE des cellules solaires à pérovskite de 2009 à 2016

En raison de son abondance, de son faible coût et de son respect de l'environnement, l'énergie solaire attire de plus en plus l'attention du monde entier, ce qui a entraîné le développement rapide de la recherche sur les cellules solaires ces dernières années.

En général, une classification couramment utilisée divise les différentes technologies photovoltaïques (au stade commercial ainsi qu'au stade de la R&D) en trois générations [2] :première génération, G1 :à base de plaquettes ; principalement mono c-Si et mc-Si; deuxième génération, G2 :couche mince; a-Si, CdTe, CIGS, CuGaSe; troisième génération, G3 :photovoltaïque multijonction et organique (OPV), cellules solaires à colorant (DSSC) et cellules solaires basées sur des points quantiques ainsi que d'autres nano-matériaux.

Le développement des cellules solaires à trois générations a produit une riche variété de cellules solaires, telles que les cellules solaires Si, les cellules solaires III-V, les cellules solaires à pérovskite (PSC), les cellules solaires à couche mince, les cellules solaires à colorant et les cellules solaires organiques. cellules. Cependant, des cellules solaires de troisième génération pratiques, peu coûteuses et à haut rendement doivent encore être démontrées. Les cellules solaires au silicium sont bien développées et matures, mais il y a peu de place pour d'autres améliorations [3-6]. Les cellules solaires III-V ont un rendement très élevé; cependant, sa faiblesse est le coût élevé, ce qui limite ses applications [7-9]. Les cellules solaires à points quantiques ont reçu une attention particulière en raison de leur faible coût et de leur efficacité élevée, mais les dispositifs les plus efficaces ont été préparés avec des métaux lourds toxiques comme le Cd ou le Pb [10–12]. Les pérovskites aux halogénures sont récemment apparues comme des matériaux prometteurs pour les cellules solaires à faible coût et à haut rendement. Alors que la technologie des cellules solaires à pérovskite devient de plus en plus mature, l'efficacité des cellules solaires à base de pérovskite a augmenté rapidement, passant de 3,8 % en 2009 à 22,1 % en 2016 [13-16]. Cependant, les problèmes de stabilité nécessitent encore des études complémentaires.

Pour donner une mise à jour du domaine, cet article passe en revue le développement récent des PSC à haute efficacité. Ce rapport présente brièvement l'histoire des PSC, puis se concentre sur les principaux progrès réalisés dans les cellules solaires à pérovskite à haut rendement. Les efforts récents sur la stabilité des cellules solaires à pérovskite seront également discutés. À la fin du rapport, nous donnons également une brève introduction à l'ingénierie d'interface.

Principe et histoire des SC pérovskites

Les PSC sont récemment devenus l'un des points chauds en raison de leur faible coût de préparation et de leur efficacité de conversion élevée dans les domaines de la recherche sur les cellules solaires. Et il est considéré comme un matériau à fort potentiel pour sa supériorité (par rapport à d'autres matériaux) qui peut aider la pérovskite à usurper le matériau cellulaire régnant.

En 1991, inspirés par le principe de la photosynthèse, O'Regan et Gratzel ont signalé une construction historique de cellule solaire appelée cellule solaire à colorant, qui peut transformer l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique avec un rendement d'environ 7 % [17]. Présentant de nombreux avantages tels que des matières premières abondantes, un traitement facile et un faible coût par rapport aux cellules solaires conventionnelles, ces nouvelles cellules solaires ont fait l'objet d'une enquête populaire rapidement après leur apparition. Et c'est ce travail qui a inspiré l'émergence des PSC, un DSSC avec des composés pérovskites.

La pérovskite désigne à l'origine une sorte d'oxydes céramiques de formule moléculaire générale ABY₃ découvert par le minéralogiste allemand Gustav Rose en 1839. Il a été nommé « pérovskite » car il s'agit d'un titanate de calcium (CaTiO₃ ) existe dans le minerai de calcium-titane [18]. La structure cristalline d'une pérovskite est représentée sur la figure 2 a. En 2009, des matériaux structurés en pérovskite ont été utilisés pour la première fois dans des cellules solaires par Miyasaka et ses collègues. Ils ont remplacé de manière créative le pigment colorant dans les DSSC par deux pérovskites hybrides organiques-inorganiques à base d'halogénures, CH₃ NH₃ PbBr₃ et CH₃ NH₃ PbI₃ . Et, finalement, ils ont gagné une efficacité de conversion de puissance (PCE) relativement peu considérable de 3,13 et 3,81 %, respectivement [13].

un Structure cristalline d'une pérovskite [22]. b Schéma de principe du dispositif général [23]. c Images de microscopie électronique à balayage (MEB) en coupe transversale d'une cellule solaire à pérovskite méso-superstructurée (barre d'échelle est de 500 nm) [22]. d Images SEM en coupe d'une cellule solaire à pérovskite planaire normale avec la présence d'un HTL et d'un ETL [22]

Cependant, le travail n'a pas attiré beaucoup d'attention en raison d'une faible efficacité et d'une faible stabilité, qui résultaient d'une couche de transport de trous (HTL) avec de l'électrolyte liquide.

Un saut évolutif s'est ensuite produit en 2012 lorsque Kim, Gratzel et Park et al. [14] ont utilisé des absorbeurs de pérovskite comme couche photoactive principale pour fabriquer des PSC méso-superstructurées à l'état solide. Spiro-MeOTAD et mp-TiO₂ ont été utilisés comme matériaux de transport de trous et de transport d'électrons (HTM/ETM), respectivement, dans leur travail et ont abouti à une efficacité relativement élevée de 9,7 % pour la première cellule solaire à hétérojonction mésoscopique à base de pérovskite signalée.

Après cette percée, l'étude des PSC s'est progressivement développée dans la recherche photovoltaïque (PV) au cours des années suivantes. Finalement, l'efficacité des CSP a été portée à 22,1 % début 2016 [1]. Depuis le PCE théorique maximum des PSC employant CH₃ NH₃ PbI_3−x Cl _x est de 31,4 %, il y a encore suffisamment d'espace pour le développement [19].

La figure 2 b montre la configuration générale des PSC, qui comprend généralement un substrat d'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO)/oxyde d'étain dopé au fluor (FTO), une électrode métallique, une couche photoactive de pérovskite, ainsi que les couches de transport de charge nécessaires (c'est-à-dire, une couche de transport de trous (HTL) [20] et une couche de transport d'électrons (ETL) [21]) [22, 23]. La figure 2 c, d montre deux architectures principales de dispositifs :les cellules solaires à pérovskite méso-superstructurées (MPSC) [24], qui incorporent une couche mésoporeuse, et les cellules solaires à pérovskite planaires (PPSC) dans lesquelles toutes les couches sont planes [25].

Le principe de fonctionnement de ces PSC peut être brièvement résumé de la manière suivante :la couche de pérovskite absorbe la lumière incidente, générant des électrons et des trous, qui sont extraits et transportés par les ETM et les HTM, respectivement. Ces porteurs de charges sont finalement collectés par des électrodes formant des PSC [23].

Cellules solaires à pérovskite à haute efficacité

Échange intramoléculaire

En juin 2015, Woon Seok Yang et ses collègues rapportent une approche pour déposer des FAPbI₃ de haute qualité. films avec lesquels ils ont fabriqué FAPbI₃ PSC avec un PCE de 20,1 % sous un éclairage plein soleil de 1,5 G AM [26].

Sur la voie de l'amélioration de l'efficacité des cellules solaires, le dépôt de films denses et uniformes est essentiel pour les propriétés optoélectroniques des films de pérovskite et constitue un sujet de recherche important pour les PSC hautement efficaces. Woon Seok Yang et ses collègues rapportent une approche pour déposer des FAPbI₃ de haute qualité films, impliquant FAPbI₃ cristallisation par échange intramoléculaire direct de molécules de diméthylsulfoxyde (DMSO) intercalées dans PbI₂ avec de l'iodure de formamidinium (Fig. 3). Ce processus produit FAPbI₃ films avec une orientation cristallographique préférée (111), des microstructures denses à gros grains et des surfaces planes sans PbI₂ résiduel . En utilisant des films préparés par cette technique, ils ont fabriqué FAPbI₃ -Based PSC avec une efficacité de conversion de puissance maximale supérieure à 20 %.

PbI₂ formation de complexes et diffraction des rayons X. un Schémas du FAPbI₃ cristallisation de pérovskite impliquant l'échange intramoléculaire direct de molécules de DMSO intercalées dans PbI₂ avec de l'iodure de formamidinium (FAI). Les molécules de DMSO sont intercalées entre le partage de bord [PbI₆ ] couches octaédriques. b Histogramme des rendements des cellules solaires pour chaque 66 FAPbI₃ -cellules à base fabriquées par IEP et procédé conventionnel [26]

Cellules solaires à pérovskite à triple cation contenant du césium

En ajoutant du césium inorganique à des compositions de pérovskite à triple cation, Michael Saliba et ses collègues ont démontré une cellule solaire à pérovskite qui non seulement possède des PCE plus élevés de 21,1%, mais est également plus stable, contient moins d'impuretés de phase et est moins sensible aux conditions de traitement [27, 28].

Ils ont étudié les pérovskites à triple cation de la forme générique " Cs _x (MA_0.17 FA_0.83 )_{(100−x )} Pb(I_0.83 Fr_0.17 )₃ ”, démontrant que l'utilisation des trois cations, Cs, MA et FA, offre une polyvalence supplémentaire dans le réglage fin des films de pérovskite de haute qualité (Fig. 4). Ils ont donné des PCE stabilisés dépassant 21 et 18 % après 250 h en conditions opérationnelles. De plus, les films de pérovskite à triple cation sont thermiquement plus stables et moins affectés par les variables environnantes fluctuantes telles que la température, les vapeurs de solvant ou les protocoles de chauffage. Cette robustesse est importante pour la reproductibilité, qui est l'une des exigences clés pour une fabrication à grande échelle rentable de PSC.

Images SEM en coupe de a Cs₀ M, b Cs₅ M, et c appareils Cs5M à faible grossissement [27]

Cellules solaires à pérovskite à bande interdite graduée

Le 7 novembre 2016, des scientifiques de l'Université de Californie à Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont signalé une nouvelle conception qui a déjà atteint une efficacité moyenne en régime permanent de 18,4 %, avec une hauteur de 21,7 % et une efficacité maximale de 26 % [29 –31]. Ils utilisent une couche épaisse d'un seul atome de nitrure de bore hexagonal pour combiner deux matériaux dans une cellule solaire en tandem et, finalement, ont obtenu un rendement élevé. Les compositions des matériaux pérovskites sont à la fois les molécules organiques méthyle et ammoniac, tandis que l'une contient les métaux étain et iode, tandis que l'autre contient du plomb et de l'iode dopés au brome. Le premier est réglé pour absorber préférentiellement la lumière avec une énergie de 1 eV - infrarouge ou énergie thermique - tandis que le second absorbe des photons d'énergie 2 eV, ou une couleur ambrée. Avant cette tentative, la fusion de deux matériaux pérovskites a échoué car les matériaux se dégradent mutuellement les performances électroniques. Cette nouvelle façon de combiner deux matériaux de cellules solaires pérovskites en une seule cellule solaire à « bande interdite graduée » a donné des résultats passionnants. La cellule solaire absorbe presque tout le spectre de la lumière visible. Ceci est très bénéfique pour améliorer l'efficacité. La structure est illustrée à la figure 5. Ils ont découvert que les cellules fraîchement éclairées ont tendance à avoir un PCE plus élevé que les cellules qui ont été éclairées pendant plus de quelques minutes. Par exemple, pour une cellule de pérovskite à bande interdite graduée donnée, le PCE est compris entre 25 et 26% dans les 2 premières min d'éclairage tandis que la cellule atteint un «état stable» avec un PCE stable de 20,8% après environ 5 min. Ce résultat indique que les cellules solaires à base de pérovskite ont des caractéristiques de performance dépendantes du temps. La mesure de 40 cellules de pérovskite à bande interdite graduée a démontré que le PCE moyen à l'état stable sur tous les appareils est de 18,4 %, tandis que la cellule à bande interdite la mieux gradée à l'état stable présentait un PCE de 21,7 %.

Schémas en coupe et images SEM d'une cellule de pérovskite avec monocouche intégrale h-BN et aérogel de graphène. un Schéma d'une cellule solaire à pérovskite à bande interdite graduée. Le nitrure de gallium (GaN), le nitrure de bore hexagonal monocouche (h-BN) et l'aérogel de graphène (GA) sont des composants clés de l'architecture cellulaire à haut rendement. b Image SEM en coupe d'un dispositif de pérovskite représentatif. La division entre les couches de pérovskite et la monocouche h-BN n'est pas visible sur cette image MEB. Les lignes en pointillés indiquer l'emplacement approximatif des couches de pérovskite et de la monocouche h-BN comme guide pour l'œil. L'emplacement des couches de pérovskite et de la monocouche h-BN est extrait de l'analyse EDAX associée. Épaisseur du CH₃ NH₃ SnI₃ couche est de 150 nm et celle du CH₃ NH_3PbI_3−x Br _x est de 300 nm. Barre d'échelle , 200 nm [29]

Stabilité des cellules solaires à pérovskite

Ces dernières années, l'efficacité record des PSC a été mise à jour de 9,7 à 22,1 %. Cependant, la faible stabilité à long terme des dispositifs PSC est toujours un grand défi restant pour les PSC, qui décident si des réalisations passionnantes pourraient être transférées du laboratoire à l'industrie et aux applications extérieures. Par conséquent, la stabilité à long terme est une question qui doit être traitée de toute urgence pour les ESP. Un certain nombre de personnes ont manifesté leur intérêt pour la question de la stabilité et ont donné des avis sur l'amélioration de la stabilité [32-44].

Plusieurs rapports ont suggéré que l'humidité et l'oxygène, la lumière UV, le traitement de la solution et le stress thermique sont quatre facteurs clés affectant la stabilité des PSC. Une dégradation observée (parfois rapide) se produit lorsque les appareils sont exposés à ces facteurs environnementaux [22, 32, 45, 46].

Guangda Niu et ses collègues [32] ont exprimé leur point de vue selon lequel afin de moduler la stabilité des PSC, de nombreux facteurs doivent être pris en compte, notamment la composition et la conception de la structure cristalline de la pérovskite ; la préparation de la couche HTM et des matériaux d'électrode; la méthode de fabrication de couches minces, l'ingénierie interfaciale et les méthodes d'encapsulation (encapsulation multicouche ou encapsulation casque); et la technologie des modules. Leurs travaux ont permis de vérifier que l'oxygène, associé à l'humidité, pouvait conduire à la dégradation irréversible du CH₃ NH₃ PbI₃ qui est toujours utilisé comme sensibilisateur dans les CSP. Ils exposent TiO₂ /CH₃ NH₃ PbI₃ film à air avec une humidité de 60% à 35°C pendant 18 h, puis, l'absorption entre 530 et 800 nm a fortement diminué (Fig. 6d).

un Voie de décomposition proposée de CH₃ NH₃ PbI₃ en présence d'une molécule d'eau. Le produit principal de cette voie est PbI₂ [48]. b Mesures d'absorbance normalisées (prises à 410 nm) pour CH₃ NH₃ PbI₃ films exposés à différentes humidités relatives [49]. c Spectres PDS pour CH₃ NH₃ PbI₃ films avant (état initial) et après exposition à une humidité relative de l'ordre de 30 à 40 % pour des durées différentes. Cela indique clairement une réduction significative de l'absorption dans la plage de 1,5 à 2,5 eV après exposition à l'humidité [1]. d Dégradation de CH₃ NH₃ PbI₃ dans l'humidité et l'atmosphère d'air. Spectres d'absorption UV-vis du TiO₂ /CH₃ NH₃ PbI₃ film avant et après dégradation. L'encart est une photographie de CH3NH3I exposé à différentes conditions :(1) CH₃ NH₃ J'ai exposé à l'argon et sans rayonnement UV; (2) CH₃ NH₃ Je me suis exposé à l'argon et aux rayons UV ; (3) CH₃ NH₃ J'ai exposé à l'air et aux rayons UV ; et (4) CH₃ NH₃ J'ai exposé à l'air et sans rayonnement UV [32]

En particulier, l'humidité est un facteur indispensable lorsqu'une enquête expérimentale sur la question de la stabilité est menée.

Travail dirigé par Kwon et al. montre que le caractère hygroscopique des sels d'amines résulte de l'origine de l'instabilité de l'humidité [47]. La figure 6a montre le processus probable de CH₃ NH₃ PbI₃ décomposition qui a été affichée par Frost et al. [48]. Le processus indique que HI et MA sont solubles dans l'eau, ce qui conduit directement à une dégradation irréversible de la couche de pérovskite.

Yang et al. ont étudié ce processus de dégradation en effectuant des mesures in situ d'absorbance et de diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXRD) [49]. Pour faire un contraste valable dans la dégradation, ils contrôlent soigneusement l'humidité relative (HR) dans laquelle les films ont été mesurés. La figure 6b montre le résultat de leur recherche sur l'influence de l'HR sur la dégradation du film. L'absorption a été réduite à la moitié de sa valeur d'origine en seulement 4 h pour le cas de 98 % d'HR alors que cela prendrait 10 000 h d'extrapolation de la courbe de dégradation pour une HR faible de 20 %. Le résultat indique comme on pouvait s'y attendre que des valeurs d'HR plus élevées entraînent une réduction plus rapide de l'absorption du film qu'une HR faible. De plus, d'autres expériences démontrent que divers gaz vecteurs, N₂ ou l'air n'a entraîné aucun changement significatif dans la dégradation de l'absorbance, indiquant que la principale cause de dégradation du film de pérovskite, sous atmosphère normale, est la présence d'humidité.

En 2014, De Wolf et al. utilisé une autre technique puissante, la spectroscopie de déflexion photothermique (PDS), pour mesurer la décomposition induite par l'humidité du CH₃ NH₃ PbI₃ [50]. Ils ont mesuré les spectres PDS de CH₃ NH₃ PbI₃ couches après exposition à l'air ambiant avec 30 à 40 % d'humidité relative pendant 1 et 20 h, respectivement. La figure 6c montre que l'absorbance entre les énergies des photons de 1,5 et 2,5 eV chute de deux ordres de grandeur après une exposition à l'humidité pendant 20 h. De plus, le front d'absorption qui se produit à 1,57 eV dans son état initial passe à 2,3 eV, une énergie correspondant à la bande interdite de PbI₂ [51], qui indiquent que CH₃ NH₃ PbI₃ peut se décomposer en PbI₂ en milieu humide du fait de la dissolution du CH₃ désordonné NH₃ Je [35, 52].

De nombreuses méthodes sont recherchées pour l'amélioration de la stabilité des PSC ces dernières années. Xin Wang et al. développé avec succès un PDG simple traité par solution _x (x =1,87) ETL à basse température. D'après leurs travaux, le PDG _x Les appareils basés sur la technologie présentent une stabilité supérieure sous un léger trempage par rapport au TiO₂ PSC basés sur [53]. Zhiping Wang et al. a présenté la première étude de stabilité à long terme de la nouvelle composition de pérovskite FA_0.83 Cs_0.17 Pb(I_0.6 Br_0.4 )₃ (FA =(HC(NH₂ )₂ )) et découvrent que les cellules sont remarquablement stables lorsqu'elles sont exposées à la lumière solaire simulée à spectre complet dans des conditions ambiantes sans encapsulation [54]. Han et al. adopté du carbone épais comme électrode et la propre couche de transport de trous de l'appareil ; la cellule était stable pendant> 1000 h à l'air ambiant en plein soleil alors qu'elle atteignait un PCE de 12,8% [55].

Ingénierie des interfaces

L'interface est vitale pour les performances des dispositifs, car elle n'est pas seulement critique pour la formation, la dissociation et la recombinaison des excitons, mais influence également la dégradation des dispositifs [56]. En conséquence, l'ingénierie d'interface pour une recombinaison réduite est extrêmement importante pour obtenir des PSC hautes performances et haute stabilité.

Tan et al. ont signalé une stratégie de passivation par contact utilisant du TiO₂ capsulé au chlore film de nanocristal colloïdal qui atténue la recombinaison interfaciale et améliore la liaison d'interface dans les cellules solaires planaires à basse température. Les PSC ont atteint des rendements certifiés de 20,1 et 19,5 % pour des surfaces actives de 0,049 et 1,1 cm ² , respectivement. De plus, les PSC avec une efficacité supérieure à 20 % ont conservé 90 % de leurs performances initiales après 500 h de fonctionnement continu à température ambiante à leur point de puissance maximum sous un éclairage solaire [57]. Wang et ses collaborateurs ont inséré une couche tunnel isolante entre la pérovskite et la couche de transport d'électrons. La fine couche isolante a permis le transport des électrons photo-générés de la pérovskite au C₆₀ cathode à travers un tunnel et a bloqué les trous photo-générés dans la pérovskite. Les dispositifs avec ces matériaux isolants présentaient une augmentation du PCE de 20,3 % sous un seul éclairage solaire [58]. Correa-Baena et al. a fourni quelques conseils théoriques en étudiant en profondeur la recombinaison aux différentes interfaces dans un PSC, y compris les contacts sélectifs en charge et l'effet des joints de grains [59].

Conclusions

Le développement des PSC au cours des dernières années en fait une alternative prometteuse pour la technologie des cellules solaires de nouvelle génération, à faible coût et à haut rendement. Poussés par le besoin urgent de cellules solaires rentables et à haut rendement, les PSC ont fait l'objet d'études intensives ces dernières années. Différents types de méthodes sont utilisés pour améliorer les performances. Nous résumons le développement récent des PSC à haute efficacité. L'efficacité enregistrée des PSC à simple jonction a été augmentée de quelques fois pour atteindre plus de 22% au cours des dernières années, se rapprochant des meilleures cellules solaires en silicium monocristallin. Sans aucun doute, les matériaux pérovskites aux halogénures sont devenus une alternative intéressante aux cellules solaires conventionnelles au silicium. Cependant, la question de la stabilité est toujours urgente à résoudre. Les récents progrès réalisés dans les architectures de dispositifs et les nouveaux matériaux ouvrent de nouvelles opportunités pour les PSC hautement stables.