Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
Cette étude présente une molécule auto-assemblée à base de bisphosphonate à longue portée (S2) qui permet une couverture interfaciale uniforme et stable sur du silicium texturé à l'échelle industrielle, résultant en des cellules et modules solaires tandem pérovskite/silicium certifiés à 32,6 % d'efficacité et hautement durables.
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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 solaire, 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 de capture de lumière différentes l'une sur l'autre, créant ainsi une cellule tandem. La couche supérieure est conçue pour capter la lumière à haute énergie, tandis que la couche inférieure, généralement faite de silicium, capte la lumière à plus basse énergie qui s'échappe. Lorsque ces deux couches travaillent ensemble, elles peuvent théoriquement générer bien plus d'électricité qu'un panneau solaire standard. Cependant, faire fonctionner ces cellules empilées de manière efficace à une échelle industrielle et de grande envergure s'est avéré difficile. La couche de silicium inférieure n'est pas plate ; elle est recouverte de minuscules pyramides dentelées pour aider à piéger la lumière. Bien que cette texture soit bénéfique pour la capture de la lumière solaire, elle crée un paysage accidenté qu'il est incroyablement difficile de revêtir uniformément avec les couches chimiques délicates nécessaires au fonctionnement de la cellule supérieure. Si le revêtement est inégal, le dispositif échoue, et la promesse d'une efficacité élevée reste confinée au laboratoire.
Une équipe de chercheurs a désormais résolu ce problème de revêtement en conceissant un nouveau type de couche moléculaire capable de se draper parfaitement sur la surface rugueuse du silicium, menant à une efficacité record pour les grands panneaux solaires. Le cœur de leur succès réside dans une molécule conçue sur mesure qui agit comme un pont auto-assemblé entre le silicium et la couche supérieure de capture de lumière. Les tentatives précédentes pour créer ces ponts utilisaient de petites molécules qui ne pouvaient s'accrocher au silicium qu'en un seul point. Sur les sommets et les crêtes dentelés de la texture du silicium industriel, ces petites molécules ne pouvaient pas traverser jusqu'au point suivant, laissant des lacunes et provoquant la rupture du film. D'autres chercheurs ont essayé d'utiliser de longues molécules en chaîne pour couvrir plus de terrain, mais celles-ci avaient tendance à s'agglutiner en amas désordonnés plutôt qu'à former une feuille lisse. Le nouveau design, développé par des scientifiques de l'Université de Pékin, de Trina Solar et d'autres institutions, combine le meilleur des deux mondes. Ils ont créé une molécule dotée d'un squelette long et flexible qui peut s'étendre à travers les pointes acérées des pyramides de silicium, tandis que ses extrémités sont équipées de deux ancres solides au lieu d'une seule.
Les chercheurs ont découvert que ce design spécifique permet aux molécules de se déployer uniformément, couvrant chaque pouce de la surface texturée sans s'agglutiner ni laisser de vides. Parce que les molécules sont si longues et flexibles, elles peuvent se plier et se conformer à la forme du silicium, rejoignant un côté d'une pyramide à l'autre. Les deux ancres aux extrémités agrippent fermement la surface, garantissant que la couche reste en place même sous l'effet de la chaleur et des contraintes. Cette couverture uniforme est cruciale car elle permet à l'électricité de circuler fluidement de la couche supérieure vers la couche inférieure sans rester bloquée ou s'échapper. Lorsque l'équipe a testé cette nouvelle molécule en laboratoire sur un petit morceau de silicium, la cellule solaire résultante a converti 34,3 % de la lumière solaire l'atteignant en électricité. Il s'agit d'un bond significatif par rapport aux records précédents pour ce type de petite cellule.
Plus important encore, l'équipe a prouvé que cette approche fonctionne à l'échelle massive requise pour la production d'énergie réelle. Ils ont appliqué la même molécule à une grande plaquette de silicium, environ de la taille d'un panneau solaire industriel standard, en utilisant une machine qui revêt la surface comme une imprimante. Le grand panneau a atteint une efficacité certifiée de 32,6 %, ce qui est la plus haute efficacité jamais enregistrée pour une cellule de cette taille. Pour s'assurer que cette technologie est prête pour le monde réel, les chercheurs ont soumis les panneaux à des conditions de rudesse imitant des années d'utilisation en extérieur. Ils ont cuit les panneaux sous une chaleur et une humidité élevées et les ont soumis à des cycles de changements de température extrêmes. Après ces tests, les panneaux ont conservé plus de 90 % de leur production d'énergie initiale. Lorsqu'ils ont installé un module composé de ces grandes cellules à l'extérieur, celui-ci a continué à produire une énergie constante tout au long d'un mois.
L'étude démontre que la clé pour déverrouiller le plein potentiel de la prochaine génération d'énergie solaire ne réside pas seulement dans les matériaux qui capturent la lumière, mais dans la manière dont ces matériaux sont connectés au silicium en dessous. En concevant une molécule suffisamment longue pour franchir le terrain accidenté du silicium industriel et assez forte pour tenir bon, les chercheurs ont éliminé un goulot d'étranglement majeur qui avait maintenu les cellules solaires à haute efficacité confinées à de petits échantillons de laboratoire. Ce travail suggère que la voie vers une énergie solaire moins chère et plus puissante est dégagée, à condition que l'interface délicate entre les couches puisse être gérée avec la même précision que les matériaux de capture de lumière eux-mêmes. Les résultats indiquent que ces cellules tandem ne sont plus seulement une possibilité théorique, mais une technologie viable prête pour la production de masse.
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