Les matériaux développés à la KTU ont été testés dans les laboratoires de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse. Crédit : KTU
Un groupe de chimistes de l’Université de technologie de Kaunas (KTU), en Lituanie, a synthétisé des matériaux qui ont été utilisés pour construire un module solaire pérovskite record, avec un rendement de 21,4 %. Ce résultat a été obtenu grâce à la passivation de la couche active de la cellule solaire, qui augmente l’efficacité de la cellule et améliore considérablement sa stabilité.
Les cellules solaires à pérovskite (PSC) sont l’une des technologies de cellules solaires qui connaissent la croissance la plus rapide au monde. Ces éléments sont à couche mince, légers, flexibles et sont fabriqués à partir de matériaux peu coûteux. Cependant, ce type de cellule solaire est toujours confronté à un problème majeur : la dégradation rapide du matériau pérovskite dans des conditions environnementales.
La passivation est un moyen simple mais efficace d’améliorer la stabilité des cellules solaires à pérovskite et a été considérée comme l’une des stratégies les plus efficaces pour éliminer les défauts des matériaux pérovskites et leurs effets négatifs. La surface passivée de la pérovskite devient plus résistante aux conditions ambiantes comme la température ou l’humidité, et plus stable, ce qui prolonge la durée de vie du dispositif.
Les matériaux synthétisés par la KTU ont été utilisés dans des mini-modules solaires.
Les chimistes de KTU, en collaboration avec des chercheurs de centres scientifiques en Chine, en Italie, en Lituanie, en Suisse et au Luxembourg, ont considérablement amélioré la stabilité des cellules solaires en pérovskite en utilisant la méthode de passivation. La surface de la pérovskite devient chimiquement inactive pendant la passivation, éliminant ainsi les défauts de la pérovskite qui se produisent pendant la fabrication. Les cellules solaires à pérovskite qui en résultent atteignent un rendement de 23,9 % avec une stabilité opérationnelle à long terme (plus de 1000 h).
Kasparas Rakstys, chef du groupe de recherche de la faculté de technologie chimique de KTU. Crédit : KTU
“La passivation a été appliquée précédemment, mais jusqu’à présent, une couche bidimensionnelle (2D) de pérovskite se forme sur l’absorbeur de lumière traditionnel tridimensionnel (3D) en pérovskite, ce qui rend difficile le déplacement des porteurs, notamment à des températures plus élevées. Il est essentiel d’éviter ce phénomène, car les cellules solaires deviennent chaudes”, explique le Dr Kasparas Rakštys, coauteur de l’invention et chercheur principal à la KTU.
Pour résoudre ce problème, une équipe internationale de chercheurs a mené une étude qui a permis d’estimer l’énergie minimale requise pour former des pérovskites 2D. La surface de la couche de pérovskite 3D a été passivée par différents isomères d’iodure de phényléthylammonium synthétisés par la KTU. Ces isomères ont la même formule moléculaire mais des arrangements différents des atomes dans l’espace, déterminant la probabilité de formation de pérovskite 2D.
Des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, ont testé ces matériaux dans des mini-modules solaires en pérovskite dont la surface active est plus de 300 fois supérieure à celle des cellules solaires typiques en pérovskite à l’échelle du laboratoire. Ces mini-modules ont atteint un rendement de conversion de l’énergie solaire record de 21,4 %. La surface de la couche de pérovskite des mini-modules solaires record a été recouverte de matériaux développés par les chimistes de la KTU.
“L’étude s’est avérée très efficace pour prévenir les effets négatifs de la passivation sur les cellules solaires. Il a été découvert qu’un isomère dont les groupes de passivation sont les plus proches les uns des autres conduit à la passivation la plus efficace en raison de l’encombrement stérique qui évite la formation de pérovskite 2D. Il est intéressant de noter que l’encombrement stérique est également utilisé comme outil dans différents domaines de la chimie pour empêcher ou ralentir des réactions indésirables”, explique le chercheur de la KTU.
L’invention est parue dans l’une des revues les plus prestigieuses
L’étude a été publiée dans Nature Communicationsl’une des revues scientifiques les plus respectées au monde.
À l’heure actuelle, les chercheurs du KTU travaillent avec des collègues d’autres pays pour produire des matériaux fonctionnels qui transportent les trous et de nouvelles compositions de pérovskite. Selon le Dr Rakštys : “La coopération internationale en science est vitale car il est impossible de couvrir tous les domaines comme la chimie, la physique et la science des matériaux qui travaillent dans un tel domaine interdisciplinaire.”
Après avoir obtenu son MSc en chimie appliquée à la KTU, le Dr Rakštys a obtenu son doctorat à l’EPFL, en Suisse, puis a poursuivi en tant que chercheur postdoctoral à l’UQ, en Australie. Il travaille aujourd’hui à la KTU.
“Après avoir passé plus de 6 ans dans de prestigieuses institutions de recherche étrangères, j’ai décidé de concrétiser mes idées scientifiques en Lituanie, et ainsicontribuer à l’essor et à la popularisation de la science en Lituanie. Je pense que travailler dans son propre pays peut apporter plus de sens, d’inspiration et d’épanouissement personnel. Le soutien financier apporté par la Fondation MJJ a largement contribué à cette décision”, déclare le Dr Rakštys.
Les chercheurs de KTU synthétisent, testent et visent à appliquer de nouveaux matériaux pour la production de cellules solaires plus efficaces et plus stables.
“Il s’agit d’un domaine très intéressant car les cellules solaires en pérovskite sont actuellement l’une des technologies qui se développent le plus rapidement, et leur commercialisation réussie pourrait contribuer aux solutions du changement climatique”, explique le Dr Rakštys.
Ce n’est pas la première fois que les scientifiques du KTU établissent un record mondial dans le domaine des technologies solaires. Les chimistes de KTU, en collaboration avec les physiciens de l’Institut de recherche Helmholtz-Zentrum (HZB) de Berlin, ont amélioré l’efficacité des cellules solaires tandem silicium-perovskite, qui atteint désormais 29,8 %. Il s’agit d’un record mondial pour ce type d’élément solaire.
Référence : “Tuning structural isomers of phenylenediammonium to afford efficient and stable perovskite solar cells and modules” par Cheng Liu, Yi Yang, Kasparas Rakstys, Arup Mahata, Marius Franckevicius, Edoardo Mosconi, Raminta Skackauskaite, Bin Ding, Keith G. Brooks, Onovbaramwen Jennifer Usiobo, Jean-Nicolas Audinot, Hiroyuki Kanda, Simonas Driukas, Gabriele Kavaliauskaite, Vidmantas Gulbinas, Marc Dessimoz, Vytautas Getautis, Filippo De Angelis, Yong Ding, Songyuan Dai, Paul J. Dyson et Mohammad Khaja Nazeeruddin, 4 novembre 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-26754-2
