Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
En révélant des mécanismes de conversion à l'état solide divergents dans des empilements de pérovskites à large et étroite bande interdite évaporés séquentiellement, cette étude établit le contrôle spécifique de la bande interdite comme un principe de conception pour permettre la première cellule solaire tandem tout-pérovskite par évaporation avec une efficacité de 19,2 % et une stabilité thermique accrue.
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L'énergie solaire a longtemps été limitée par un plafond fondamental : une seule couche de matériau ne peut capturer qu'une tranche spécifique de la lumière du soleil, laissant le reste passer ou le transformant en chaleur perdue. Pour briser cette barrière, les scientifiques se sont tournés vers l'empilement de deux couches différentes l'une sur l'autre, créant ainsi une cellule tandem où la couche supérieure capte la lumière de haute énergie et la couche inférieure capte le reste. Le matériau le plus prometteur pour cette tâche est une classe de cristaux appelés pérovskites, qui peuvent être ajustés pour absorber différentes couleurs de lumière. Bien que ces cellules aient atteint des niveaux d'efficacité impressionnants en laboratoire, elles sont actuellement fabriquées à l'aide de produits chimiques liquides. Cette méthode implique des solvants toxiques et des étapes désordonnées qui sont difficiles à adapter pour des panneaux de grande taille, flexibles ou industriels. Une alternative plus propre et plus précise consiste à construire ces couches à partir de zéro sous vide, en évaporant des matériaux solides jusqu'à ce qu'ils forment un film, un peu comme le givre se forme sur une fenêtre. Cependant, alors que cette méthode sous vide fonctionne bien pour des couches simples, les scientifiques ont eu du mal à comprendre comment fabriquer les couches complexes de matériaux mixtes nécessaires aux cellules tandem sans l'aide de liquides.
Une équipe de chercheurs a maintenant résolu ce casse-tête en observant, en temps réel, comment ces couches déposées sous vide se transforment en cellules solaires fonctionnelles. Ils ont découvert que le processus n'est pas un événement unique et uniforme, mais plutôt deux voies entièrement différentes selon le type de matériau fabriqué. Lors de la création de la couche supérieure, conçue pour absorber la lumière bleue et verte, les matériaux se mélangent rapidement et uniformément avant même que la structure cristalline finale ne se forme. Les chercheurs ont découvert que la couleur de la lumière que cette couche absorbe est déterminée simplement par la quantité d'un ingrédient spécifique contenant du brome qui est ajoutée, quel que soit le ratio des autres ingrédients. Le système agit comme une soupe bien mélangée dont la saveur finale dépend de la quantité totale d'une épice clé, et non de la proportion des autres ingrédients.
En contraste frappant, la couche inférieure, conçue pour absorber la lumière rouge et infrarouge à l'aide d'un mélange d'étain et de plomb, suit un chemin beaucoup plus chaotique. Dès que le composant organique est ajouté, une réaction commence à l'interface entre les couches, formant une croûte solide qui emprisonne les matériaux restants en dessous. Cette formation précoce crée une barrière qui empêche les ingrédients de se mélanger complètement. Au lieu d'un mélange uniforme, le cristal final se retrouve avec un gradient vertical, où le haut est riche en plomb et le bas est riche en étain. Les chercheurs ont réalisé que ce mélange inégal se produit parce que le réseau cristallin se forme et durcit plus rapidement que les atomes métalliques ne peuvent échanger leurs places pour trouver leurs positions parfaites. Cette compréhension explique pourquoi les tentatives précédentes pour fabriquer ces cellules étaient incohérentes ; le processus tentait de forcer un mélange uniforme dans un système qui y résiste naturellement.
Armés de cette compréhension du comportement des matériaux, l'équipe a optimisé le chauffage et le minutage pour chaque couche séparément. Ils ont réussi à créer une cellule solaire tandem complète où les deux couches (supérieure et inférieure) ont été formées entièrement par cette méthode sèche basée sur le vide, sans une seule goutte de solvant liquide. Le dispositif résultant a converti la lumière du soleil en électricité avec une efficacité de 19,2 %, un jalon important pour cette technique de fabrication spécifique. De plus, les cellules se sont révélées remarquablement durables ; lorsqu'elles ont été stockées dans un environnement chaud pendant 1 200 heures, elles ont conservé 80 % de leur performance initiale. Ce travail démontre qu'en adaptant le processus de fabrication au comportement physique spécifique de chaque couche, il est possible de construire des cellules solaires de haute qualité, sans solvant, prêtes pour la prochaine génération d'énergie solaire flexible et à grande échelle.
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