Des chercheurs inventent de nouvelles cellules solaires tandem à triple jonction avec une efficacité record mondial


Des scientifiques de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé une nouvelle cellule solaire tandem pérovskite/Si à triple jonction qui peut atteindre un rendement de conversion d'énergie certifié record mondial de 27,1 % sur une zone d'absorption d'énergie solaire de 1 cm², ce qui représente la cellule solaire tandem pérovskite/Si à triple jonction la plus performante à ce jour. Pour y parvenir, l’équipe a conçu une nouvelle cellule solaire à pérovskite intégrée au cyanate, stable et économe en énergie.

Les cellules solaires peuvent être fabriquées en plus de deux couches et assemblées pour former des cellules solaires à plusieurs jonctions afin d'augmenter l'efficacité. Chaque couche est constituée de différents matériaux photovoltaïques et absorbe l'énergie solaire dans une plage différente. Cependant, les technologies actuelles de cellules solaires multi-jonctions posent de nombreux problèmes, tels que la perte d'énergie qui entraîne une faible tension et une instabilité du dispositif pendant le fonctionnement.

Pour surmonter ces défis, le professeur adjoint Hou Yi a dirigé une équipe de scientifiques du NUS College of Design and Engineering (CDE) et de l'Institut de recherche sur l'énergie solaire de Singapour (SERIS) pour démontrer, pour la première fois, l'intégration réussie du cyanate dans un pérovskite. cellule solaire pour développer une cellule solaire tandem pérovskite/Si à triple jonction de pointe qui surpasse les performances d'autres cellules solaires multi-jonctions similaires. Asst Prof Hou est jeune professeur présidentiel au Département de génie chimique et biomoléculaire du CDE ainsi que chef de groupe au SERIS, un institut de recherche de niveau universitaire à NUS.

« Remarquablement, après 15 ans de recherche en cours dans le domaine des cellules solaires à base de pérovskite, ce travail constitue la première preuve expérimentale de l'inclusion de cyanate dans les pérovskites pour renforcer la stabilité de sa structure et améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie », a déclaré le professeur adjoint. Hou.

Le processus expérimental qui a conduit à cette découverte révolutionnaire a été publié dans Nature le 4 mars 2024.

Fabriquer une technologie de cellules solaires économes en énergie

Les interactions entre les composants de la structure pérovskite déterminent la plage d’énergie qu’elle peut atteindre. Ajuster la proportion de ces composants ou trouver un substitut direct peut aider à modifier la plage énergétique de la pérovskite. Cependant, les recherches antérieures n’ont pas encore produit de recette de pérovskite offrant une plage d’énergie ultra-large et un rendement élevé.

Dans ces travaux récemment publiés, l'équipe NUS a expérimenté le cyanate, un nouveau pseudohalogénure, comme substitut au bromure, un ion du groupe des halogénures couramment utilisé dans les pérovskites. Le Dr Liu Shunchang, chercheur dans l'équipe du professeur adjoint Hou, a utilisé diverses méthodes analytiques pour confirmer l'intégration réussie du cyanate dans la structure de la pérovskite et a fabriqué une cellule solaire à pérovskite intégrée au cyanate.

Une analyse plus approfondie de la structure atomique de la nouvelle pérovskite a fourni – pour la première fois – des preuves expérimentales selon lesquelles l'incorporation de cyanate a contribué à stabiliser sa structure et à former des interactions clés au sein de la pérovskite, démontrant ainsi comment il constitue un substitut viable aux halogénures dans les cellules solaires à base de pérovskite. .

Lors de l'évaluation des performances, les scientifiques de la NUS ont découvert que les cellules solaires à pérovskite incorporées au cyanate peuvent atteindre une tension plus élevée de 1,422 volts par rapport à 1,357 volts pour les cellules solaires à pérovskite conventionnelles, avec une réduction significative de la perte d'énergie.

Les chercheurs ont également testé la nouvelle cellule solaire à pérovskite en la faisant fonctionner en continu à puissance maximale pendant 300 heures dans des conditions contrôlées. Après la période de test, la cellule solaire est restée stable et a fonctionné à plus de 96 % de sa capacité.

Encouragée par les performances impressionnantes des cellules solaires à pérovskite intégrées au cyanate, l’équipe NUS a poussé sa découverte révolutionnaire à l’étape suivante en l’utilisant pour assembler une cellule solaire tandem pérovskite/Si à triple jonction. Les chercheurs ont empilé une cellule solaire à pérovskite et une cellule solaire à silicium pour créer une demi-cellule à double jonction, fournissant une base idéale pour la fixation de la cellule solaire à pérovskite intégrée au cyanate.

Une fois assemblées, les chercheurs ont démontré que malgré la complexité de la structure de cellule solaire tandem pérovskite/Si à triple jonction, elle restait stable et atteignait une efficacité record mondiale certifiée de 27,1 % par un laboratoire d'étalonnage photovoltaïque indépendant accrédité.

« Collectivement, ces avancées offrent des informations révolutionnaires sur l'atténuation des pertes d'énergie dans les cellules solaires à pérovskite et ouvrent une nouvelle voie pour le développement ultérieur de la technologie solaire à triple jonction à base de pérovskite », a déclaré le professeur adjoint Hou.

Prochaines étapes

L'efficacité théorique des cellules solaires tandem pérovskite/Si à triple jonction dépasse 50 %, ce qui présente un potentiel d'amélioration important, en particulier dans les applications où l'espace d'installation est limité.

À l’avenir, l’équipe NUS vise à étendre cette technologie à des modules plus grands sans compromettre l’efficacité et la stabilité. Les recherches futures se concentreront sur les innovations au niveau des interfaces et de la composition de la pérovskite – ce sont des domaines clés identifiés par l'équipe pour faire progresser cette technologie.

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