Nouvelles stratégies de conception pour améliorer la stabilité et l'efficacité des cellules solaires pérovskites bifaciales.
15 mai 2023 feature
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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore
Les cellules solaires à base de pérovskites, des minéraux ou des composés d'oxyde de titane de calcium ayant des structures similaires, font partie des solutions énergétiques émergentes les plus prometteuses. Au cours des dernières années, les ingénieurs et les scientifiques des matériaux ont exploré le potentiel de mini-modules solaires (c'est-à-dire de petites cellules pouvant être utilisées pour créer des panneaux solaires à plus grande échelle) fabriqués à partir de structures bifaciales de pérovskite.
Comme leur nom l'indique, ces structures plates ont des matériaux de pérovskite sur leur face avant et leur face arrière, le premier récoltant le rayonnement solaire direct et la seconde la lumière réfléchie sur les surfaces (c'est-à-dire la lumière d'albédo). Bien que les mini-modules solaires basés sur les structures bifaciales de pérovskite puissent atteindre des efficacités de conversion d'énergie supérieures (PCE) aux cellules solaires conventionnelles de pérovskite, leur conception efficace a jusqu'à présent été difficile.
Des chercheurs de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ont récemment introduit de nouvelles stratégies de conception qui pourraient aider à améliorer l'efficacité et la stabilité des cellules solaires bifaciales de pérovskite. En utilisant ces techniques, décrites dans Nature Energy, ils ont développé de nouveaux mini-modules solaires qui ont atteint de remarquables performances.
'Les cellules solaires de pérovskite connaissent un essor avec des rendements croissants et leur commercialisation est rapide dans le monde entier, mais il reste encore de nombreux défis à relever, notamment une faible stabilité et la réduction de l'efficacité lors du transfert des petites cellules à l'échelle du laboratoire aux modules de grande surface', a déclaré Jinsong Huang, l'un des chercheurs de l'étude, à Tech Xplore. 'Une incertitude est de savoir si l'économie réalisée en utilisant des pérovskites à faible coût et des procédés de dépôt est suffisante pour concurrencer les énergies fossiles.'
En récoltant simultanément la lumière directe et la lumière d'albédo, les cellules solaires bifaciales pourraient améliorer le rendement énergétique des technologies solaires. Jusqu'à présent, cependant, les chercheurs n'ont développé que quelques cellules et modules bifaciaux de pérovskite, et les existants ont affiché des efficacités bien inférieures à celles de leurs homologues mono-faciaux.
'Le but de notre travail récent était de démontrer le mini-module biphasique de pérovskite avec un rendement énergétique élevé et une durée de vie opérationnelle longue', a déclaré Huang. 'Les principales stratégies que nous proposons pour l'optimisation de la conception des modules bifaciaux de pérovskite comprennent une structure de module nouvellement conçue et une électrode arrière, l'ajout d'additifs hydrophobes pour une meilleure stabilité à l'humidité, et l'amélioration de l'absorption de la lumière à ondes longues avec des nanoparticules diélectriques intégrées.'
Huang et ses collègues ont d'abord conçu une structure bifaciale dans laquelle des sous-cellules individuelles sont connectées par de l'oxyde d'étain-indium (ITO), avec des grilles d'argent séparées par un espace optimal sur l'électrode arrière de l'ITO pour réduire la perte de résistance (c'est-à-dire la perte d'énergie électrique pouvant se produire lorsqu'un courant circule dans les fils). Cette conception est simple et évolutive, ce qui signifie qu'elle pourrait permettre la fabrication à grande échelle et la commercialisation de mini-modules bifaciaux de pérovskite.
'Nous avons également constaté que l'ajout de tris(pentafluorophényl)borane (TPFB) en tant qu'additif dans la couche de transport de trou atténuait clairement les dommages causés par l'humidité au film de pérovskite pendant le processus de dépôt de SnO2', a expliqué Huang.
'De plus, l'ajout de TPFB a diminué la résistivité de la couche de transport de trou et amélioré l'alignement énergétique. Enfin, nous avons introduit des nanoparticules (NPs) dans la pérovskite pour disperser la lumière incidente, augmentant ainsi le trajet optique pour surmonter leur perte d'absorption, en particulier dans la plage de longueur d'onde dans les modules bifaciaux.'
En utilisant leur conception proposée, les chercheurs ont développé des cellules solaires bifaciales de pérovskite de petite surface qui ont atteint une densité de génération de puissance de 26,4 mW cm-2 et des mini-modules bifaciaux qui ont atteint une densité de génération de puissance de 23 mW cm-2 , lorsqu'ils ont été exposés à la lumière directe d'un côté et à une illumination d'albédo de 0,2 de l'autre côté. Ces résultats sont nettement meilleurs que les densités de génération de puissance des cellules solaires à jonction unique et des mini-modules de pérovskite précédemment développés.
Remarkably, the prototype minimodule developed by the team was also found to achieve a remarkably operational stability, only losing 3% of its initial efficiency after working for more than 6,000 hours. Combined, the design strategies introduced by this team of researchers could thus pave the way towards the large-scale fabrication of highly efficient and stable solar energy solutions based on bifacial perovskite structures.
'While some companies may already be working on commercializing perovskite bifacial solar cells, this work affirms the promising potential of these bifacial structures,' Huang added. 'We would now like to identify new strategies to continually improve the energy yield and stability of bifacial perovskite solar modules.'
More information: Hangyu Gu et al, Design optimization of bifacial perovskite minimodules for improved efficiency and stability, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01254-3
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