L'efficacité des cellules solaires à pérovskite a atteint environ 26 %. Cependant, leur production à grande échelle reste un défi en raison des méthodes traditionnelles telles que le dépôt par centrifugation. Pour y remédier, des chercheurs de l' Université de Rome Tor Vergata ont perfectionné le procédé de dépôt par raclage afin de créer des modules photovoltaïques de grande surface atteignant un rendement de 12.6 %. Ils ont pour cela utilisé une couche de transport de trous en oxyde de nickel déposée à l'air ambiant dans un solvant non toxique.
Objectif de l’étude – Démontrer les progrès réalisés dans la production à grande échelle de cellules photovoltaïques offrant une stabilité et une efficacité à long terme.
Modules solaires photovoltaïques de grande surface avec un rendement de 12.6 %
Pour améliorer l'uniformité du film de pérovskite, les chercheurs ont introduit des monocouches auto-assemblées entre les couches. De ce fait, les modules d'une surface active de 110 cm² atteignent un rendement de 12.6 % . De plus, ils conservent 84 % de leur rendement initial après 2 1,000 heures à 85 °C à l'air libre.
2 architectures principales basées sur l'ordre des matériaux de transport de charge sont suivies pour fabriquer des cellules solaires à pérovskite (PSC) :
- Normal (pincement)
- Inversé (broche)
Ici, les cellules solaires pérovskites inversées présentent une stabilité accrue et une hystérésis réduite, ce qui les rend potentiellement commercialisables. Pour produire de l'oxyde de nickel compact dans les cellules solaires photovoltaïques de grande surface, différentes méthodes de dépôt sont utilisées, classées en méthodes imprimables et non imprimables.
Malgré les nombreux avantages offerts par les techniques de dépôt imprimables, un écart important subsiste entre les cellules solaires pérovskites (PSC) à base de NiOx imprimables à petite et à grande échelle. Par exemple, le rendement des PSC déposées à l'air ambiant chute à 20.7 % pour les modules de petite taille et à 10.34 % pour les modules de grande taille présentant une surface active de 3.7 cm².
Procédures adoptées dans l'étude
Les chercheurs ont mis au point une procédure permettant d'imprimer du NiOx sur des substrats de 15 cm x 15 cm sans centrifugation. Des modules d'une surface active de 110 cm² ont été fabriqués par raclage NiOx/MeO-2PACz/pérovskite et évaporation thermique. En optimisant l'encre NiOx et en ajoutant une monocouche auto-assemblée, le meilleur module a atteint environ 2 % de PCE.
En conséquence, les chercheurs ont observé que ces modules surpassaient les précédents modules PV de grande surface en termes de stabilité, d’efficacité et de performances.
Résultats et discussion : NiOx Optimisation de l'épaisseur et de l'uniformité du film
Après dépôt d'un film de NiOx par raclage à l'aide d'une solution de NiCl₂·6H₂O sur des substrats ITO dans des conditions ambiantes, ces films ont été traités thermiquement à 300 °C pour favoriser leur décomposition et leur oxydation . L'oxygène atmosphérique a ensuite été utilisé pour la formation du film de NiOx.
Les chercheurs ont déposé quatre concentrations sur des substrats verre/ITO, une solution de référence à 4 M, ainsi qu'à 0.15 M (dilution 0.075:1), 1 M (dilution 0.050:1) et 2 M (dilution 0.037:1). L'épaisseur du film, mesurée par ellipsométrie, était supérieure à 3 x 140 mm.
La variation de l'épaisseur du film est due à une racle non uniforme, qui s'améliore avec des ratios de solvant plus élevés. Cependant, l'épaisseur et la viscosité du film diminuent avec la dilution. Ainsi, l'épaisseur diminue avec la dilution de la concentration du précurseur, ce qui donne : 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) et 36.2 nm (0.037 M).
La figure suivante présente les résultats de la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et de la réflectométrie à rayons X (XRR). Ces deux tests ont été utilisés pour évaluer l'oxydation du NiOx.
- Les spectres XPS montrent que dans la plage 850-860 eV, 4 pics correspondaient à Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) et Ni2O3 (Ni³⁺).
- Les énergies de liaison indiquées, d'environ 852.0, 853.5, 855 et 856 eV, étaient liées par des ajustements gaussiens. Ces valeurs concordent avec celles de la littérature.
- Un pic NiO dominant indique un film fortement oxydé. Ces composés sont considérés comme adaptés à des applications telles que les couches de transport de trous dans les cellules photosensibles.
- À des concentrations de 1:1, il reste prédominant, mais une augmentation des contributions de Ni et de Ni203 a également été observée. Ceci suggère en outre une réduction de l'efficacité de l'oxydation.
- Avec des concentrations de 1:2 et une meilleure oxydation à partir de films plus minces, un Ni203 plus élevé montre plus de Ni³⁺.
- Une dilution supplémentaire à des concentrations de 1:3 montre une augmentation de Ni203 par rapport à NiO. Cela suggère une hétérogénéité de l'épaisseur du film et une oxydation.
Dans l'ensemble, les chercheurs ont constaté qu'une diminution de la concentration en précurseurs est corrélée à une augmentation de la complexité de l'oxyde de nickel et à des états d'oxydation plus élevés. Cependant, une contribution plus faible en NiO diminue avec une diminution de la concentration en précurseurs.
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Résultat de la mesure XRR
Aucune frange de Kiessig n'a été observée lors des mesures XRR de la densité électronique sur des substrats NiOx déposés. Les angles critiques sont corrélés au volume de diffusion, ce qui montre les résultats suivants :
- Uniformité due à une faible dispersion
- Hétérogénéité due à une forte dispersion
On a observé une augmentation de la densité électronique avec une diminution de la concentration en précurseurs. Cela indique clairement que des films plus denses et plus dilués sont possibles grâce à une meilleure oxydation ou compaction lors du recuit. Les films plus fins améliorent les performances des cellules solaires photovoltaïques, car ils conservent leurs propriétés améliorées.
Observations
- L'échantillon de référence et le dépôt NiOx concentré 1:2 sont les plus homogènes.
- Un film moins uniforme a été observé dans une concentration de 1:3.
- La rugosité de l'interface ou de la surface a été estimée à l'aide de la réflectivité de Fresnel. Pour l'échantillon de référence et la concentration 1:2, elle était d'environ 4.5 (5) nm. Cette valeur reste constante pour tous les modèles.
- Une dispersion de rugosité plus élevée a été observée dans les échantillons obtenus à partir de plaques de concentration 1:1 et 1:3. Les valeurs du profil XRR 1:1 varient de 2.5 (5) nm à environ 4.5 (5) nm. Pour le profil XRR 1:3, elles varient d'environ 4.5 (5) nm à environ 7.0 (5) nm.
Ingénierie des interfaces et morphologie des films de pérovskite
Cette étude sur les modules solaires à pérovskite s'est concentrée sur le dépôt de la couche de pérovskite, en s'appuyant sur des travaux antérieurs utilisant une méthode de revêtement à la racle en deux étapes avec des solvants non toxiques. Nous avons développé une pérovskite à double cation (Cs<sub>0.15</sub>FA<sub>0.85</sub>PbI<sub>3−x</sub>Br<sub>x</sub>) grâce à l'optimisation des paramètres et des additifs afin d'améliorer la qualité du film. Le dépôt en deux étapes consiste à utiliser PbI<sub>2</sub>-(FAI)<sub>0.3</sub>-(CsI)<sub>0.15</sub> dans le DMSO, suivi de FAI/FABr dans l'alcool isopropylique. Quatre méthodes de séchage ont été proposées. Cette étude a testé ces techniques sur des substrats rigides, produisant des films de haute qualité sur des substrats de 15 cm × 15 cm, ouvrant la voie à une formulation de pérovskite écologique universelle pour divers dispositifs et substrats.
Les images MEB ont mis en évidence que certains défauts sur le film PV étaient dus à la couche de NiOx non optimisée (0.15 M). Parmi ces défauts, on compte des piqûres et des barres visibles, principalement dues à un dépôt irrégulier. En revanche, la couche de NiOx optimisée (0.05 M) présentait moins de défauts, notamment des particules plus petites et moins de piqûres.
D’autres études indiquent ce qui suit :
- Cependant, les résultats obtenus dans la couche optimisée étaient meilleurs qu'auparavant, mais l'apparition de trous d'épingle persistait. Ceci indique un défi majeur lié à la problèmes d'adhérence entre le film NiOx et les encres précurseurs PV.
- L'UV-ozone et traitements de surface conventionnels au plasma avoir un effet négatif sur le film NiOx. Cela aggrave les problèmes d'interface, comme la formation d'un excès de Pbl2. Ce phénomène peut agir comme une barrière d'extraction de trous. réduire la tension en circuit ouvert du dispositif.
- De plus, le faible conductivité du NiO peut nuire aux performances des cellules solaires à pérovskite.
Pour éviter tous ces problèmes et améliorer les situations ci-dessus, les chercheurs ont utilisé une monocouche auto-assemblée (SAM) de MeO-2PACz à l'interface HTL/pérovskite.
Dans une autre tentative, des chercheurs ont découvert que les pérovskites Dion-Jacobson 2D ultrastables atteignent une efficacité de 19.11 %.
Observations
- L'image MEB du film de pérovskite confirme l'efficacité des méthodes utilisées : couche SAM.
- Les films de pérovskite étaient très uniformes et ne présentaient aucun trou d’épingle.
- La carte d'épaisseur de l'ellipsométrie montre que l'épaisseur moyenne du film obtenue était de 570 mm, ce qui confirme également l'uniformité.
- Grâce au procédé de raclage, on observe un gradient d'épaisseur initiale de 700 nm, qui diminue légèrement vers la fin du revêtement.
- Cependant, l'uniformité a été obtenue grâce à la couche SAM, qui a permis de résoudre les problèmes d'adhérence. Le résultat : des modules solaires à pérovskite stables et prêts pour l'industrie.
Modules et stabilité à long terme des modules solaires photovoltaïques de grande surface à rendement de 12.6 %
Enfin, l'assemblage du module solaire en pérovskite a été réalisé par évaporation de C60/BCP comme couche de transport d'électrons (ETL). Le marquage laser P2, suivi de l'évaporation de l'électrode de cuivre, a ensuite été réalisé. Le processus s'est terminé par le marquage P3. Les caractéristiques du module photovoltaïque à 22 cellules connectées en série sont les suivantes :
- Efficacité – 12.6%
- Courant de court-circuit (ISC) – 98.13 mA
- Facteur de remplissage – 63.49 %
- Tension à vide (VOC) – 22.3 V
- Indice d'hystérésis proche de l'unité – 1.02
Cependant, l'indice d'hystérésis proche de l'unité démontre une remarquable constance des performances entre les mesures directes et inverses. Cela souligne la fiabilité du fonctionnement du module pérovskite.
Conclusion
En conclusion, cette recherche améliore l'évolutivité des modules solaires photovoltaïques de grande surface, d'un rendement de 12.6 %, pour une utilisation commerciale. L'utilisation du raclage a permis de créer un module PSC de grande surface avec NiOx HTL. Le résultat final est une formulation de pérovskite non toxique. Enfin, les PSC, dont la stabilité et les performances sont améliorées, démontrent leur potentiel d'optimisation et d'applications commerciales futures.
