Active Reverse Bias Protection for Perovskite Solar Cells Under Variable Illumination via Integrated Bypass Diodes

Résumé technique : Protection par polarisation inverse active pour les cellules solaires à pérovskite via des diodes de dérivation intégrées

Énoncé du problème
L'instabilité sous polarisation inverse lors d'un ombrage partiel demeure un obstacle critique et insuffisamment traité à la fiabilité opérationnelle des cellules solaires à pérovskite (PSC). Dans les modules photovoltaïques connectés en série, les sous-cellules ombragées sont contraintes à une polarisation inverse, supportant le courant de leurs voisines illuminées. Cette condition induit un échauffement Joule localisé, menant à des mécanismes de défaillance catastrophiques tels que la migration métallique (spécifiquement l'argent), le shunt filamentaire et la décomposition de la pérovskite.

Un défi majeur identifié dans ce travail est que la tension de claquage inverse ($V_{BD}$) des PSC n'est pas un paramètre fixe mais est hautement sensible aux niveaux d'illumination. Bien que la $V_{BD}$ puisse paraître robuste dans les conditions de laboratoire à l'obscurité, l'illumination résiduelle lors d'un ombrage partiel abaisse considérablement le seuil de claquage (de plus de 20 % selon les observations expérimentales). Par conséquent, les stratégies reposant uniquement sur l'augmentation de la $V_{BD}$ par ingénierie structurelle sont insuffisantes, car les conditions d'ombrage réelles peuvent toujours déclencher un claquage destructeur à des tensions inférieures à celles mesurées dans l'obscurité. De plus, même un stress de polarisation inverse sous le seuil de claquage peut provoquer un vieillissement accéléré et des dommages irréversibles au fil du temps.

Méthodologie
Pour répondre à ces limitations, les auteurs ont implémenté expérimentalement une diode de dérivation intégrée (IBD) directement au sein de l'architecture des PSC. Contra irement aux diodes de dérivation traditionnelles au niveau du module, qui sont peu pratiques pour les mini-modules de pérovskite interconnectés de manière dense en raison de la complexité du câblage et du coût, l'IBD est intégrée au niveau de la cellule.

• Structure du dispositif : L'étude a utilisé des PSC de type p-i-n avec une structure verre/ITO/NiOx/Me-4PACz/pérovskite/C60/BCP/Ag. L'IBD a été intégrée via un nouveau processus de dépôt séquentiel, créant une jonction latérale avec une structure verre/ITO/SnOx/PVK/Spiro-TTB/MoOx/Ag.
• Mécanisme opérationnel : L'IBD fonctionne comme une diode résistive à deux états. Sous polarisation directe, elle reste dans un état "éteint" à haute résistance. Sous polarisation inverse, elle bascule dans un état "allumé" à faible résistance une fois que la tension atteint son seuil d'activation (environ -1 V), détournant le courant loin de la région photoactive de la pérovskite.
• Conditions expérimentales : Les dispositifs ont été soumis à un stress de polarisation inverse sous différents niveaux d'illumination (de l'obscurité à un soleil) pour caractériser la dépendance de la $V_{BD}$. La stabilité a été testée sous stress de polarisation inverse continue (-5 V) et sous cycles répétés (-2 V).
• Caractérisation : L'étude a employé des mesures courant-tension (J-V), la microscopie optique, la diffraction des rayons X (XRD), la spectrométrie de masse à temps de vol par ionisation secondaire (TOF-SIMS) et la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) pour analyser les mécanismes de défaillance et les changements chimiques. Une modélisation numérique des dispositifs ioniques-électroniques a également été utilisée pour expliquer la relation entre l'illumination, l'accumulation ionique et la tension de claquage.

Résultats clés

1. Claquage dépendant de l'illumination : Les PSC de contrôle ont présenté une $V_{BD}$ de -5,9 V dans l'obscurité, qui est tombée à -4,7 V sous un ombrage partiel de 20 % (0,8 soleil). Cela confirme que l'illumination résiduelle accélère le claquage, probablement en raison d'une accumulation accrue d'ions et d'un renforcement du champ électrique à l'interface entre la pérovskite et la couche de transport.
2. Écrêtage de tension efficace : Dans les PSC dotées de l'IBD intégrée, la tension inverse a été efficacement écrêtée à environ -1 V pour tous les niveaux d'illumination. L'IBD a réussi à détourner le courant inverse (mesuré à -0,1 A) via le chemin de dérivation, empênant la région de pérovskite de subir un stress de polarisation inverse élevé.
3. Amélioration spectaculaire de la stabilité :
   • Stress continu : Sous un stress de polarisation inverse continu de -5 V, les PSC de contrôle ont totalement échoué en moins de 2 minutes. En revanche, les PSC intégrant l'IBD ont maintenu 87,6 % de leur efficacité de conversion de puissance (PCE) initiale après 150 heures de stress continu.
   • Stabilité de cyclage : Après 100 cycles de polarisation inverse de -2 V, les dispositifs IBD ont conservé plus de 95 % de leur PCE initiale, tandis que les dispositifs de contrôle ont subi une perte permanente après seulement 24 cycles.
4. Aperçus mécanistiques : L'analyse post-stress a révélé que les dispositifs de contrôle ont souffert d'une migration de l'Ag, d'une réduction du Pb (formation de Pb$^0$) et d'une oxydation des halogénures, conduisant à un shunt sévère. Les dispositifs IBD ne présentaient aucun changement chimique ou dégradation d'interface discernable, confirmant que le mécanisme de dérivation atténue les forces motrices électrochimiques de la dégradation.
5. Performance au niveau du module : Les simulations SPICE d'une chaîne de neuf cellules ont démontré que, sous ombrage partiel, les chaînes sans IBD subissent un effondrement de la production de puissance à mesure que l'ombrage augmente. Les chaînes intégrant l'IBD maintiennent cependant la production de puissance des cellules non ombragées restantes, préservant environ 70 % de la production totale de la chaîne même en cas d'ombrage complet d'une seule cellule.

Signification et revendications
Les auteurs affirment que ce travail établit la diode de dérivation intégrée (IBD) comme une voie hautement pratique et fiable pour obtenir un comportement de polarisation inverse prévisible et stable pour les photovoltaïques à pérovskite.

• Première validation expérimentale : Cette étude représente la première mise en œuvre expérimentale du concept d'IBD, allant au-delà des analyses théoriques et de la modélisation numérique précédentes.
• Stabilité supérieure : La stabilité de 150 heures rapportée sous une polarisation inverse de -5 V représente, selon les auteurs, la plus forte stabilité de polarisation inverse rapportée à ce jour pour les PSC.
• Réponse aux conditions réelles : En démontrant que la $V_{BD}$ dépend de l'illumination et que les IBD peuvent écrêter la tension quel que soit le niveau de lumière, ce travail comble une lacune critique entre les tests en laboratoire (conditions d'obscurité) et la fiabilité opérationnelle en conditions réelles (ombrage partiel).
• Bancabilité : L'intégration des IBD supprime les principaux modes de défaillance (migration de l'Ag, shunt et décomposition) associés à la polarisation inverse, offrant une voie vers des modules PV à pérovskite « bancables » capables de résister aux conditions d'ombrage dynamiques inhérentes à un déploiement en conditions réelles.

L'article conclut que, bien que l'augmentation de la $V_{BD}$ seule soit intrinsèquement limitée par la physique de la migration ionique sous illumination, la stratégie IBD atténue activement le stress à la source, garantissant une fiabilité opérationnelle à long terme et un meilleur rendement énergétique.