Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

La lumière du soleil est un vaste fleuve d'énergie irrégulier, contenant des couleurs qui vont du violet que nous pouvons voir à l'infrarouge invisible qui réchauffe notre peau. Pendant des décennies, la méthode la plus efficace pour capturer cette énergie a été d'utiliser un seul matériau, comme le silicium, pour transformer la lumière en électricité. Mais un seul matériau agit comme un tamis dont les trous sont de taille fixe ; il capture bien certaines couleurs mais laisse passer les autres, gaspillant leur énergie sous forme de chaleur. Pour capturer davantage de ce fleuve, les scientifiques se sont tournés vers l'empilement de différents matériaux les uns sur les autres, créant des cellules solaires « tandem ». Chaque couche est réglée pour capturer une tranche différente du spectre solaire, travaillant ensemble pour récolter bien plus d'énergie qu'une seule couche ne pourrait jamais le faire. Le défi a toujours été de trouver les bons matériaux pour la couche inférieure, qui doit être mince, flexible et capable de capturer les longues ondes invisibles de la lumière infrarouge sans se dégrader.

Une équipe de chercheurs de l'Université d'Oxford et de leurs collaborateurs a maintenant identifié un nouveau matériau qui pourrait résoudre ce problème, offrant une voie vers des cellules solaires qui sont non seulement plus efficaces, mais aussi moins chères et plus stables à fabriquer. Ils se sont concentrés sur un composé appelé sulfure de bismuth et d'argent, un matériau qui avait montré des promesses dans les cellules solaires à couche unique mais qui n'avait jamais été utilisé avec succès comme couche inférieure dans un dispositif tandem empilé. Les chercheurs ont découvert que ce matériau possède un avantage naturel : il peut absorber la lumière infrarouge plus efficacement que le principal candidat actuel, un mélange de plomb et d'étain, et il ne se décompose pas lorsqu'il est exposé à l'air. En développant une nouvelle façon de déposer des films épais de ce matériau, ils ont démontré les premières cellules solaires tandem fonctionnelles utilisant le sulfure de bismuth et d'argent, prouvant qu'il peut être associé à d'autres couches pour créer une source d'énergie hautement efficace, stable et évolutive.

Le voyage vers cette découverte a commencé par une simple question de physique. Dans une cellule solaire tandem, la couche inférieure doit avoir une « bande interdite » (ou bandgap) spécifique, un terme qui décrit la quantité minimale d'énergie dont un matériau a besoin pour transformer la lumière en électricité. Si la bande interdite est trop élevée, le matériau ignore la lumière infrarouge à faible énergie ; si elle est trop basse, il gaspille l'énergie de la lumière à haute énergie. La bande interdite idéale pour la couche inférieure d'une cellule à deux couches est juste en dessous d'un électronvolt, et pour une cellule à trois couches, elle est encore plus basse. La norme actuelle pour la couche inférieure des cellules solaires avancées est un mélange de plomb et d'étain. Bien que ce mélange puisse être ajusté pour absorber la lumière infrarouge, sa bande interdite est encore légèrement trop élevée pour être parfaite, et la composante d'étain est chimiquement instable, sujette à réagir avec l'oxygène et à ruiner la cellule à moins qu'elle ne soit fabriquée dans un environnement parfaitement scellé et sans oxygène.

Les chercheurs ont alors porté leur attention sur le sulfure de bismuth et d'argent. Ce matériau possède naturellement une bande interdite d'environ un électronvolt, ce qui est beaucoup plus proche de la valeur idéale pour une couche inférieure que le mélange plomb-étain. Il est également composé d'éléments abondants et non toxiques et, contrairement au mélange plomb-étain, il est stable dans l'air normal. Cependant, il y avait un obstacle important. Lors d'expériences précédentes, le sulfure de bismuth et d'argent ne fonctionnait de manière optimale que lorsqu'il était fabriqué en films extrêmement minces, de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur seulement. Cela était dû au fait que le matériau avait une « longueur de diffusion » courte, ce qui signifie qu'une fois qu'une particule de lumière crée une charge électrique, cette charge ne pouvait pas voyager très loin avant de se perdre. Pour qu'une cellule solaire fonctionne bien, surtout lorsqu'elle est conçue pour capturer la lumière infrarouge, le film doit être beaucoup plus épais, environ cent nanomètres ou plus, afin d'absorber suffisamment de lumière. Si le film est trop épais, les charges se retrouvent piégées et l'électricité cesse de circuler.

Pour surmonter cela, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de préparation du matériau. Au lieu de construire le film couche par couche selon un processus lent et fastidieux, ils ont créé une encre liquide contenant de minuscules cristaux de sulfure de bismuth et d'argent. Ils ont ensuite traité ces cristaux avec un mélange d'agents chimiques, spécifiquement du bromure et de l'iodure, pour nettoyer et protéger leurs surfaces. Ce traitement, appelé échange de ligands en phase de solution, a permis aux cristaux de se lier étroitement et de conduire l'électricité bien mieux. Le résultat fut un film qui pouvait être déposé en une seule étape, tout comme l'étalement de peinture, et qui pouvait être fabriqué jusqu'à 340 nanomètres d'épaisseur sans se fissurer ni perdre sa capacité à transporter l'électricité. Ce fut une avancée cruciale, car cela signifiait que le matériau pouvait enfin être assez épais pour capturer la lumière infrarouge qu'il était censé capter.

Avec ce nouveau film épais en main, l'équipe a construit les premières cellules solaires tandem utilisant le sulfure de bismuth et d'argent. Ils ont créé deux types de dispositifs. Le premier était un tandem à « quatre terminaux », où deux cellules solaires distinctes étaient placées l'une sur l'autre mais fonctionnaient de manière indépendante, comme deux piles distinctes connectées dans un circuit. Ils ont associé une cellule inférieure de sulfure de bismuth et d'argent avec une cellule supérieure faite d'un autre matériau appelé pérovskite. La combinaison a produit une efficacité de près de 24 pour cent, un résultat solide qui a prouvé que les deux matériaux pouvaient travailler ensemble efficacement. Le second type était un tandem « monolithique » ou à « deux terminaux », où les couches étaient fusionnées en une seule unité solide agissant comme une seule batterie. C'était un défi d'ingénierie beaucoup plus complexe, nécessitant une couche transparente spéciale entre les deux cellules pour permettre à l'électricité de circuler entre elles sans court-circuiter. Malgré la complexité, l'équipe a réussi à construire ces dispositifs, montrant que les tensions des deux couches s'additionnaient correctement, une condition essentielle pour une cellule tandem fonctionnelle.

Les simulations que les chercheurs ont réalisées avant de construire les dispositifs suggéraient que le sulfure de bismuth et d'argent pourrait pousser l'efficacité théorique des cellules solaires à trois couches à près de 48 pour cent, bien plus haut que la limite de 36 pour cent de la technologie actuelle plomb-étain. Bien que les dispositifs qu'ils ont construits n'aient pas encore atteint ce sommet théorique, les résultats expérimentaux ont confirmé que le matériau fonctionne et que la nouvelle méthode de fabrication est viable. L'équipe a également testé la stabilité de leurs nouvelles cellules. Ils ont laissé des dispositifs non scellés sur une étagère dans l'air sec pendant trois mois. Alors qu'un dispositif similaire fabriqué avec le mélange plomb-étain aurait perdu la majeure partie de sa puissance en seulement un jour et demi, les cellules de sulfure de bismuth et d'argent ont conservé plus de 90 pour cent de leur efficacité initiale. Cette durabilité suggère que les futurs panneaux solaires fabriqués avec ce matériau pourraient être produits dans des usines ordinaires sans avoir besoin de salles coûteuses et sans oxygène, réduisant potentiellement le coût de l'énergie solaire.

Les chercheurs ont également examiné la facilité avec laquelle ces films pourraient être fabriqués à grande échelle. Ils ont comparé leur nouvelle méthode en une seule étape à l'ancienne méthode en plusieurs étapes et ont constaté que la nouvelle approche était nettement plus rapide et moins coûteuse. Ils ont réussi à passer de l'échelle de l'échantillon minuscule de laboratoire à des panneaux plus larges, montrant que le film restait uniforme et exempt de défauts même lorsqu'il était fabriqué sur une surface de la taille d'un petit carreau. Cette extensibilité est essentielle pour passer d'une curiosité de laboratoire à un produit pouvant être utilisé sur les toits ou intégré aux bâtiments.

Ce travail ne signifie pas que le problème est totalement résolu. Les chercheurs ont noté que même avec leurs améliorations, les charges dans le sulfure de bismuth et d'argent se retrouvent encore piégées relativement rapidement, ce qui limite l'épaisseur du film et la quantité de courant qu'il peut générer. Ils ont identifié que la prochaine étape consiste à trouver des moyens de rendre le matériau encore plus conducteur, peut-être en modifiant la façon dont les cristaux sont agencés, afin que les charges puissent voyager encore plus loin. Cependant, l'étude a établi une nouvelle voie claire. En prouvant que le sulfure de bismuth et d'argent peut être fabriqué en films épais, stables et efficaces, et en démontrant son succès dans les premières cellules solaires tandem, l'équipe a ouvert la porte à une nouvelle génération de technologie solaire, plus efficace, plus stable et potentiellement beaucoup moins chère à produire que ce qui existe aujourd'hui.