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Des cellules solaires pérovskites sans plomb et efficaces

Benjamin Robert
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Des cellules solaires pérovskites sans plomb et efficaces

Une conversion photo-électrique efficace, sans toxicité. Une équipe de recherche chinoise de l’Université de Shandong a publié dans Advanced Functional materials le 12 janvier 2021  une nouvelle méthode permettant d’obtenir des cellules solaires en pérovskite inorganique à base d’étain (Sn) plus efficaces énergétiquement.

L'étain, alternative au plomb

Les cellules solaires en perovskite hybrides ont fait l'objet d'intenses recherches au cours des dix dernières années. Elles atteignent en laboratoire des rendements de conversion d'énergie de 25,5 %, soit une efficacité similaire à celle des meilleurs panneaux solaires en silicium commercialisés. Mais les plus performantes contiennent du plomb, dont la toxicité freine leur potentielle commercialisation.

L’utilisation d’étain constitue une alternative, mais sous sa forme Sn(II), celui-ci induit des défauts dans la structure cristalline du matériau. Ces défauts sont le principal obstacle à la réalisation de cellules efficaces, car leur présence compromet la capacité du matériau à convertir l'énergie. Ces cellules inorganiques à base d’étain atteignent aujourd’hui des rendements qui dépassent à peine les 5 %.

Stratégie de passivation

Les chercheurs ont traité ces cellules via un processus de passivation, en essayant quatre produits différents : la thiourée, le thioacétamide, la guanidine et le thiosemicarbazide (TSC). Ils en ont observé que ce dernier, via l’atome de soufre de son groupe fonctionnel S=C-N, se lie de manière covalente avec le Sn(II), par une interaction acide-base de Lewis. La présence de cette molécule conduit à une densité accrue du nuage d'électrons autour des défauts causés par le Sn(II). A la clé, une réduction de l’effet des défauts sur l’efficacité de la cellule.

Avec cette approche, les scientifiques ont abouti à un rendement de 8,2 %, avec une efficacité maintenue à plus de 90 % après 500 h d'éclairage en continu en laboratoire. Cette durée représente plusieurs années en condition réelle avec l’alternance jour/nuit car les dégradations subies par les pérovskites se résorbent dans l’obscurité. Au-delà de cette efficacité, les chercheurs estiment que leurs travaux ont mis en lumière l’importance d’appliquer un processus de passivation, afin d’obtenir des pérovskites sans plomb plus efficaces.

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