Les cellules solaires à pérovskite (PSC) offrent des applications polyvalentes, ce qui en fait un dispositif prometteur pour la vie quotidienne. Dans cette étude, les chercheurs optimisent par simulation des cellules solaires à pérovskite bifaciales à base d'ETL pour des dispositifs flexibles. Ce processus consiste à sélectionner l'électrode transparente avant (ETF), la couche de transport de trous (HTL) et l'électrode transparente arrière (ETR) appropriées.
Cellules solaires bifaciales à base de pérovskite ETL pour dispositifs flexibles
On a observé une amélioration significative du rendement de conversion de puissance (PCE) du dispositif à cellule pérovskite . Ceci a été rendu possible grâce à une structure en puits présentant un faible décalage de bande de conduction (CBO) à l'interface FTE/pérovskite. Cependant, une réduction des performances a été constatée avec un déplacement vers les hautes énergies de la bande de valence de la couche de transport de trous (HTL).
Points forts
- Optimiser la pérovskite bifaciale sans ETL pour les dispositifs flexibles.
- Un CBO minimum à l'interface pérovskite peut améliorer les performances du dispositif.
- La bande interdite et l'affinité électronique du RTE affectent fortement les performances de l'appareil.
- 1.4 eV de pérovskite est celui optimisé.
- Pour les deux conditions d'éclairage, l'appareil affiche un PCE > 27 %.
L'efficacité de conversion de puissance (PCE) des cellules solaires à pérovskite est passée de 3.8 % à 26.1 % en une décennie . De ce fait, les cellules solaires à pérovskite hybrides organiques-inorganiques à halogénures métalliques suscitent un intérêt croissant ces derniers temps.
Cependant, le développement des cellules solaires pérovskites flexibles est freiné par la température de frittage élevée de la couche de transport d'électrons (ETL). Dans les cellules solaires pérovskites inversées, les chercheurs ont principalement utilisé le [6,6]-phényl-C61-butyrate de méthyle (PCBM) comme ETL afin d'obtenir des rendements élevés. Le PCBM étant coûteux, son intégration dans le dispositif augmente son coût global.
Les chercheurs ont ensuite testé des cellules solaires pérovskites sans couche de transport d'électrons (ETL), qui représentent les dispositifs les plus prometteurs et les plus performants. Cette approche, de configuration simple, élimine les préparations complexes et permet ainsi de réduire le temps et l'énergie nécessaires.
Fait rapide : Liu et al. ont développé le premier PCE ayant 13.5 %.
Les cellules PCE actuelles ont une efficacité de 20 à 22 %, mais sont encore à la traîne en raison du taux de transfert de charge déséquilibré.
Raison : Absence de champ intégré permanent en l'absence d'ETL.
Envisager différentes approches
Les chercheurs ont envisagé l'utilisation de concentrateurs, de matériaux photovoltaïques à deux ou plusieurs bandes interdites distinctes disposées en tandem, et d'une approche bifaciale. Toutes ces solutions visent à améliorer les performances du dispositif et à favoriser l'adoption généralisée de la technologie. La conception bifaciale, simple et peu coûteuse, augmente le rendement de conversion de puissance à un coût légèrement supérieur grâce à l'ajout d'une électrode arrière transparente.
Grâce à l'installation d'électrodes transparentes, la lumière peut pénétrer dans le système par ses deux extrémités. De ce fait, les panneaux solaires bifaciaux peuvent potentiellement atteindre un rendement de conversion de puissance (PCE) supérieur de plus de 30 % à celui des panneaux monofaciaux. Toutefois, ce rendement dépend de plusieurs facteurs, tels que l'angle d'inclinaison, la réflectivité du sol et la hauteur du panneau. Par ailleurs, la combinaison des avantages des technologies bifaciales et flexibles des cellules solaires permet de concevoir des dispositifs de captation d'énergie solaire performants et polyvalents.
Applications des cellules solaires pérovskites bifaciales flexibles sans ETL :
- Stores pliants sur les magasins
- Couvre-fenêtres pliants
- Sur les voiles
- Ou un parasol sur la plage
Il est possible de traiter des PSC flexibles par une méthode de transformation rôle par rôle et de les encapsuler avec des couches flexibles à faible coût. Bien que les PSC bifaciaux flexibles soient une technologie récente, encore en recherche et développement, ils ont réalisé des avancées notables.
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Grâce à la simulation, les chercheurs ont pu facilement définir les paramètres ou propriétés souhaités pour l'électrode transparente arrière (RTE). Cela leur a permis d'obtenir des performances optimales du dispositif. Dans le cadre de ce travail de simulation, les chercheurs ont reproduit un matériau bifacial sans ETL, comme illustré ci-dessous.
En observant des cellules solaires flexibles dotées de différentes électrodes, couches de défauts interfaciales et couches de transport de trous, des chercheurs ont découvert l'alignement des bandes et les barrières de potentiel permettant d'améliorer les performances globales. De plus, ils ont atteint un rendement supérieur à 27 % dans différentes conditions en optimisant la bande interdite de l'absorbeur pérovskite à 1.4 eV.
Structure de l'appareil et paramètres de simulation Perovskite à base d'ETL
- Les chercheurs ont utilisé le package SCAPS-1D (Solar Cell Capacitance Simulator) unidimensionnel pour simuler le dispositif proposé.
- De plus, pour concevoir un dispositif bifacial à partir d'un dispositif validé, l'Au a été remplacé par une couche composite d'électrode transparente Cu/Cu2O.
- Le FTO passivé (PFTO) a été utilisé pour fonctionner comme FTE.
Résultats et discussion
Effets de l'électrode transparente frontale (ETF)
Dans les cellules solaires à pérovskite sans couche de transport d'électrons ( ETL), l'électrode transparente (FTE) doit être conçue avec une transparence élevée et un alignement de bandes amélioré pour un transport de charges efficace. Diverses électrodes transparentes ont été étudiées, telles que l' oxyde d'indium dopé au zirconium (Zr:In₂O₃), l'ITO, l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (Al:ZnO) et l'oxyde d'étain dopé au fluor (PFTO). À basse température, le dépôt de ces électrodes sur un substrat flexible s'est avéré aisé.
D'après le diagramme de bande suivant, il est évident que les CBO à l'interface FTE, proche de 0, ont attiré une PCE plus élevée. La direction du champ électrique à l'interface ITO est opposée à celle de l'interface HTL, ce qui ne permet pas un transport de charge efficace.
Ceci est considéré comme la barrière potentielle pour les électrons circulant vers les FTE. Un dispositif avec une valeur CBO plus faible présente une recombinaison moindre à l'interface FTE, selon le profil de recombinaison. On observe une augmentation de l'affinité électronique des FTE avec une variation négative du CBO à l'interface FTE. Cela est dû à la différence d'affinité électronique entre les couches adjacentes.
À mesure que l'épaisseur des couches FTE augmente, le PCE du dispositif diminue lorsqu'il est éclairé par le côté FTO. Cependant, aucun changement significatif n'a été observé pour l'éclairage arrière.
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Effet de la couche de transport de trous (HTL)
Pour cette étude, différents HTL tels que DM, Cul, Cu2O et CuSCN ont été utilisés sur le dispositif de référence. Le diagramme de bandes d'énergie suivant illustre un alignement de bandes modifié aux interfaces pérovskite ou HTL et HTL/RTE. Éclairée par l'arrière, la recombinaison dans les dispositifs Cul et CuSCN présente les mêmes profils de recombinaison SRH. Les possibilités de recombinaison directe sont plus élevées avec des niveaux de valence plus élevés de la couche adjacente.
Effet des couches de défauts interfaciaux
Lors du recuit thermique, les défauts d'interface sont mis en évidence. Ces défauts sont favorisés par l'absence de lacunes d'oxygène, de désaccords de maille et de composition stœchiométrique. L'étude aborde trois types d'interfaces défectueuses, mentionnés ci-dessous :
- HTL/électrode arrière : Causé par la réaction de l'électrode arrière avec HTL en présence d'oxygène.
- TCO/pérovskite : Un défaut dans cette interface conduit à une lacune en oxygène.
- Perovskite/HTL : Tout défaut dans ce matériau entraîne une inadéquation du réseau.
- Pour une densité de défauts inférieure à 10^16 cm−3, le PCE du dispositif reste identique. Il présente un taux de recombinaison plus faible dans la couche d'interface.
- Avec une concentration supérieure à 10^16 cm−3, il y a une augmentation du taux de recombinaison, ce qui réduit l'efficacité du dispositif.
- De même, l'augmentation de l'épaisseur de la couche de défauts d'interface entraîne une diminution linéaire de la PCE du dispositif, ce qui entraîne une augmentation du taux de recombinaison dans la région IDL.
Ce phénomène justifie la nécessité de réduire les défauts à l'interface PFTO/pérovskite par passivation ou tout autre procédé de traitement approprié. La passivation de surface est généralement privilégiée pour modifier la morphologie de surface.
Effet de l'électrode transparente arrière (RTE)
Cette électrode joue un rôle crucial dans la détermination des performances globales des cellules solaires bifaciales . Deux facteurs principaux influencent ces performances : l’affinité électronique et la largeur de bande interdite. Les cellules solaires bifaciales présentent un rendement de conversion de puissance (PCE) inférieur à celui de leurs homologues monofaciales, ce qui a un impact important sur l’électrode de transfert de charge (RTE). On observe une transition d’une valeur négative à une valeur positive du potentiel de bande interdite (VBO) à l’interface HTL/RTE lorsque la largeur de bande interdite de la RTE augmente.
Pour les deux conditions d'éclairage, le dispositif présente un rendement de conversion de puissance maximal à une tension de seuil (VBO) de +0.29 eV (bande interdite d'environ 2.4 eV). Lorsque l'affinité électronique est de 3.3 eV pour les deux types d'éclairage, avec une VBO de +0.13 eV à l'interface HTL/RTE, les performances du dispositif s'améliorent.
Avec l'augmentation de l'affinité électronique du RTE, le VBO entre HTL/RTE devient positif. L'étude montre que le dispositif à base de NAN présente une PCE plus élevée pour l'éclairage arrière. Elle indique une intensité de champ électrique réduite dans le sens négatif dans les dispositifs à base de NAN à l'interface HTL/RTE. De plus, l'intensité du dispositif PCE augmente avec l'augmentation du travail de sortie et il devient saturé pour les grands travaux de sortie.
Dans une autre étude, un module solaire tandem en silicium pérovskite d'une efficacité de 28 % a été présenté par PeroNova.
Optimisation de la couche de pérovskite
Comme indiqué précédemment, nous avons simulé différentes combinaisons de dispositifs utilisant différents FTE, HTL et RTE. La génération de porteurs de charge diminue avec l'augmentation de la couche absorbante en pérovskite. En revanche, la VOC augmente avec l'augmentation du potentiel intrinsèque de la couche absorbante. Le dispositif PCE atteint une bande interdite optimisée de 1.4 eV, et les autres sont les suivants :
- Éclairage avant PCE 24.65 %
- Éclairage arrière PCE 25.48 %
La densité de défauts de la couche absorbante de pérovskite a été réduite de 8.0 × 10^14 cm−3 à 1.0 × 10^14 cm−3 . Ceci entraîne une augmentation du rendement de conversion de puissance (PCE) du dispositif à 26.27 % et 26.45 % pour un éclairage frontal et arrière, respectivement.
De plus, après avoir optimisé l'épaisseur de la couche absorbante à 800 nm et réduit la densité de défauts à 1.0 × 10¹⁴ cm⁻³ , le rendement de conversion de puissance (PCE) du dispositif atteint 26.88 % (éclairage frontal) et 27.35 % (éclairage arrière).
Conclusions
Les chercheurs concluent donc qu'un logiciel de simulation permet d'optimiser les PSC bifaciaux sans ETL. L'étude de l'impact de différents matériaux sur les performances du dispositif a permis d'observer que certains matériaux amélioraient ces performances grâce à leurs propriétés spécifiques. De plus, la bande interdite, la densité de défauts et l'épaisseur sont des facteurs déterminants de la couche absorbante en pérovskite. Ainsi, un rendement de conversion de puissance supérieur à 27 % a été obtenu grâce à une configuration optimisée pour l'éclairage arrière et avant.
