Outre l'efficacité, la stabilité est une préoccupation de longue date pour les cellules photovoltaïques à pérovskite et leurs applications pratiques. À ce jour, ces matériaux stables pour le photovoltaïque et les données les concernant sont insuffisants, et les chercheurs testent différents matériaux pour mieux comprendre leur utilisation. Dans cette étude, les cellules solaires à pérovskite Dion-Jacobson, ultra-stables et performantes, sont testées pour des applications photovoltaïques.
L'équipe a conçu avec succès des cellules solaires à revêtement de lame avec une technologie évolutive pour les pérovskites Dion-Jacobson (DJ) qui ont démontré une efficacité de conversion de puissance d'environ 19.11 % dans différentes conditions environnementales.
Objectif de l'étude : mener une recherche systématique sur les facteurs clés de stabilité des matériaux DJ afin d'établir des lignes directrices pour la conception de pérovskites DJ stables, destinées à des cellules solaires stabilisées, efficaces et évolutives.
Performances des cellules solaires pérovskites Dion-Jacobson ultrastables et efficaces
Les pérovskites 2D sont préférées aux pérovskites 3D en raison de leurs propriétés photophysiques et structurales intrinsèques avantageuses. La pérovskite de type DJ, contenant des cations diammonium ditopiques, renforce la liaison entre les couches inorganiques et accroît la rigidité de la structure, ce qui améliore sa stabilité. Différentes études sur les pérovskites de Ruddlesden-Popper (RP) et de Dion-Jacobson (DJ) montrent que ces dernières sont moins stables en milieu atmosphérique.
Par exemple , une faible stabilité à l'humidité a été observée en quelques heures dans les pérovskites DJ à base de 1,4-phénylènediméthanammonium et de m-phénylènediammonium.
D'après l'analyse structurale, ces matériaux présentent une configuration unique de puits quantique de déplacement intercouche , ce qui les distingue des autres pérovskites DJ. Il en résulte un espacement intercouche réduit et une optimisation du transport de charge et de l'intégrité structurale dans l'intercouche.
Pour les cations interfoliaires, l'utilisation de cations organiques cycloalkyles préserve l'électronégativité et la flexibilité des molécules. Elle présente également des avantages par rapport aux cations organiques à chaîne alkyle et aryle . Cette approche minimise efficacement les contraintes du réseau cristallin, ce qui contribue à la stabilité structurale globale.
Points forts
- Introduction d'une nouvelle série de DJ (CDMA 1, 4-cyclohexanedimethanammonium, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 pour des cellules solaires stables et efficaces.
- Ces cellules non encapsulées ont conservé 92 % de leur efficacité pendant plus de 4000 90 heures dans des conditions de vieillissement d'environ XNUMX % d'humidité relative (HR).
- Ces cellules présentent une stabilité opérationnelle et thermique à 85°C.
- Aucune perte d’efficacité après 5000 XNUMX heures de traitement.
- Aucune perte d'efficacité après un fonctionnement à 45° C de point de puissance maximale (MPPT) pendant plus de 6000 100 heures sous une lumière continue (2 mW cm-XNUMX).
Le processus de recherche
Une technique de dépôt de revêtement de lame évolutive a été utilisée pour démontrer le potentiel des pérovskites DJ pour les cellules solaires à grande échelle. Les cellules solaires de référence utilisaient la pérovskite DJ PDMA nominale n = 5. Ces cellules sont connues pour améliorer la stabilité des dispositifs et présentent des configurations moléculaires organiques similaires.
| Propriétés des cellules | Dispositif de référence | Dispositif nominal n = 5 cellules solaires à pérovskite basées sur CDMA |
| PCE | 14.87 % | 19.11 % |
| Tension en circuit ouvert (VOC) | 1.06V | 1.16V |
| Densité de courant de court-circuit (JSC) | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| Facteur de remplissage | 76.46 % | 80.56 % |
D'après les chercheurs, le rendement le plus élevé pour le dépôt par raclage de pérovskites 2D est celui du CDMA . La figure suivante présente les courbes densité de courant-tension (JV) des cellules solaires DJ.
Efficacité quantique externe (EQE)
Les chercheurs ont mesuré la densité de courant de court-circuit (JSC) du dispositif en fonction de son rendement quantique externe (EQE). Le dispositif PDMA présente un EQE inférieur à celui du CDMA. Dans la région d'absorption de la lumière visible, la JSC du PDMA était de 17.57 mA cm⁻² et celle du CDMA de 19.58 mA cm⁻² . Ces valeurs correspondent à la JSC mesurée sous le stimulateur solaire.
Stabilité des cellules solaires dans différentes conditions
De plus, les chercheurs ont étudié la stabilité de ces cellules sous l’effet de la chaleur, de la lumière et de l’humidité.
Stress léger
Sa stabilité opérationnelle a été vérifiée sous atmosphère d'azote en boîte à gants, à l'aide d'un suivi MPPT sous une LED blanche simulée à 1 soleil (diode électroluminescente). Le test a été réalisé à environ 45 °C pendant plus de 6000 XNUMX heures de vieillissement sans tendance à la baisse.
- PDMA – PCE réduit d’environ 30 %.
- CDMA – Légère fluctuation autour de leur efficacité initiale.
La chaleur
La stabilité thermique des cellules solaires a été vérifiée sur une plaque chauffante à 85° C.
- PDMA – 50 % de baisse de l’efficacité initiale.
- CDMA – Efficacité négligeable même après 5000 heures.
Cela vérifie la tolérance thermique supérieure des cellules pérovskites CDMA.
Humidité
Les cellules solaires non encapsulées ont été stockées dans une chambre avec une humidité à température constante, autour de ~90% HR à ~22° C. Cela provoque les effets suivants sur les deux appareils.
- PDMA – Diminution rapide du PCE jusqu’à zéro après 500 heures de vieillissement.
- CDMA – Affiche une efficacité initiale d’environ 92 % après 4394 XNUMX heures de vieillissement.
En comparant les anciens dispositifs, nous constatons que la couche active des dispositifs PDMA est devenue incolore, tandis que celle des dispositifs CDMA ne présente aucune décoloration visible. Cela confirme la grande tolérance à l'humidité des pérovskites CDMA DJ. D'après l'image consolidée ci-dessous, la série CDMA est la meilleure entre les cellules solaires pérovskites 2D et 3D, selon les chercheurs.
Caractéristiques de l'appareil
Caractérisation du dispositif
La figure suivante présente une distribution statistique du facteur d'hystérésis calculé. Il a été mesuré à partir du PCE des cellules solaires PDMA et CDMA. Cela indique une hystérésis distribuée relativement faible et stable en CDMA, ce qui pourrait favoriser la production de cellules solaires stables et évolutives pour des applications pratiques.
Caractérisation des films de pérovskite
Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à balayage (MEB) en vue de dessus pour étudier la morphologie des films de pérovskite.
L'observation a révélé une distribution uniforme des grains dans les films de pérovskite PDMA. En revanche, le CDMA présente une nette augmentation de la taille des grains, ainsi que de petites plaquettes 2D recouvrant les joints de grains correspondants. Ceci implique probablement une autopassivation de l'interface, assurant ainsi la stabilité du revêtement. De plus, cela permet la réalisation des spectres d'absorption UV-visible et des mesures de diffraction des rayons X (DRX) du revêtement.
Les films de CDMA présentent une largeur à mi-hauteur (FWHM) relativement plus étroite, ainsi qu'une intensité plus élevée des pics de diffraction. Ceci suggère une cristallinité améliorée et une taille de grain plus importante, conformément à l'équation de Scherrer.
D'après les spectres d'absorption UV-Vis, les deux films de pérovskite DJ présentent des distributions de phase bidimensionnelles. Cependant, le CDMA présente une intensité élevée, suggérant une distribution de phase bidimensionnelle abondante, bénéfique pour son absorption des ondes courtes et la stabilité du film.
L'observation par diffusion des rayons X à grand angle à incidence rasante (GIWAXS) montre que le CDMA présente des taches de Bragg relativement fortes et discrètes. Cela indique une meilleure cristallisation, bénéfique pour le transport de charge.
Une étude menée par des scientifiques de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) conclut que la suppression des concavités améliore la stabilité des films de pérovskite.
Caractérisation de la déformation et de la stabilité de DJ Perovskite Films
Les chercheurs ont sélectionné deux profondeurs pour étudier les contraintes résiduelles dans les deux dispositifs, en fonction de la distribution de phase révélée par la caractérisation TA. Une zone superficielle caractérisée par des phases de type 3D et une forte concentration de pérovskites 2D dans une région plus profonde ont été observées dans le matériau. D'après l'image ci-dessous, la diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXRD) des films de pérovskite PDMA était relative au plan cristallin (310).
On a observé un décalage vers la droite des pics de diffraction avec l'augmentation de Ψ (de 0° à 45°). Ceci indique une diminution progressive de la distance interréticulaire et la présence d'une contrainte de compression dans le film.
Dans les régions riches en pérovskite 2D, les films de PDMA présentent un décalage vers la gauche suivi d'une augmentation des valeurs de Ψ. On observe une légère déviation par rapport à la direction de linéarité dans la tendance de variation. Ceci suggère une distribution hétérogène des phases de pérovskite 2D, ce qui nuit à la stabilité et aux performances du dispositif. À l'inverse, dans les films de CDMA, un déplacement négligeable, accompagné d'une augmentation de Ψ, est constaté dans les deux régions.
Les résultats sont cohérents après calcul de la contrainte résiduelle via les courbes de Williamson-Hall. Cela suggère que la pérovskite DJ est quasiment exempte de contrainte résiduelle et que cette qualité contribue à sa stabilité.
Après un mois de stockage, la phase noire du film s'est complètement transformée et décomposée en une phase à large bande interdite. En revanche, pour les films de CDMA, après 100 jours de stockage, une remarquable stabilité à l'humidité, sans pics de diffraction dus aux impuretés, a été observée.
De plus, la résistance à l'eau des films a été examinée en mesurant les angles de contact de l'eau à leur surface. Le CDMA présente un angle de contact élevé (51°) et le PDMA un angle plus faible (41°) . Ceci indique une forte résistance à l'eau des films de pérovskite CDMA. Les courbes d'angle de contact dynamiques présentées dans l'image ci-dessous confirment l'excellente résistance à l'engorgement d'eau des films de pérovskite CDMA.
Conclusion
Les chercheurs ont ainsi découvert que l'intégration de cations organiques flexibles dans le déplacement intercouche pouvait améliorer la stabilité structurelle de la configuration des pérovskites DJ. Sur cette base, ils ont conçu une série de pérovskites DJ à déplacement intercouche. Ces matériaux ont ensuite été appliqués au processus de revêtement des lames. Une efficacité et une stabilité accrues ont été obtenues. De plus, les tests de vieillissement ont montré une dégradation minimale du dispositif.
Dans l’ensemble, les chercheurs concluent que la série nouvellement développée a le potentiel de construire des pérovskites 2D stables qui peuvent être utilisées pour diverses applications.
