Une stratégie pour améliorer la stabilité des cellules solaires à pérovskite dans des conditions de polarisation inverse

Si une cellule solaire individuelle est à l’ombre et que d’autres cellules du même module ne le sont pas, les cellules éclairées par le soleil peuvent essayer de faire passer du courant à travers la cellule à l’ombre, ce qui entraîne une augmentation de la température et des dommages potentiels aux cellules. Ces conditions placent la cellule à l’ombre dans une condition connue sous le nom de polarisation inverse, qui rend les cellules solaires instables et détériore leurs performances au fil du temps.

Des chercheurs de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ont récemment présenté une nouvelle stratégie qui pourrait améliorer la stabilité des cellules solaires à pérovskite (PSC) dans des conditions de polarisation inverse. Cette stratégie, décrite dans un article publié dans Énergie naturellepourrait faciliter le déploiement futur de systèmes photovoltaïques (PV) à base de pérovskite dans des contextes réels.

« La stabilité de la polarisation inverse ou l’instabilité induite par l’ombrage des cellules solaires n’a attiré l’attention de la communauté PV que récemment », a déclaré Jinsong Huang, auteur correspondant de l’article, à Tech Xplore. « Les cellules ombragées sont soumises à la forte polarisation inverse imposée par le reste des cellules qui ne sont pas ombragées. Pour les cellules photovoltaïques à cellules photovoltaïques, l’instabilité induite par la polarisation inverse était considérée comme beaucoup plus grave dans le passé. »

Les cellules à pérovskite sont connues pour avoir une couche photoactive nettement plus fine que les autres cellules photovoltaïques existantes. Par conséquent, le champ électrique induit par les conditions de polarisation inverse peut être beaucoup plus important dans ce type de cellule.

« La fameuse migration des ions dans les pérovskites les rend également beaucoup moins stables en polarisation inverse », a déclaré Huang. « Dans la plupart des études antérieures, il a été signalé que les PSC se décomposaient ou se dégradaient après quelques secondes à quelques minutes sous une polarisation inverse de quelques volts. Si ce problème n’est pas résolu, les futurs modules à pérovskites auront besoin de nombreuses diodes de dérivation pour les protéger, ce qui augmentera leurs coûts de fabrication. »

En examinant la littérature existante, Huang et ses collègues ont observé que certaines cellules souches embryonnaires étaient nettement plus stables dans des conditions de polarisation inverse. Cela les a motivés à étudier les mécanismes à l’origine de cette plus grande stabilité, dans l’espoir de concevoir une méthode efficace pour stabiliser les cellules de perovskite.

« La dégradation sous polarisation inverse est compliquée, car elle varie en fonction de la tension de polarisation, de la durée, de la qualité de la pérovskite et de l’empilement des dispositifs », explique Huang. « Dans cette étude, nous avons choisi des PSC à structure en épingle car ils ont montré une bonne stabilité opérationnelle lors de nos études précédentes. Nous avons utilisé notre composition optimisée en pérovskite pour minimiser les autres voies de dégradation possibles. »

Huang et ses collègues ont appliqué différentes valeurs de polarisation inverse aux PSC, tout en modifiant les piles de dispositifs. Ils ont ensuite examiné de près ce qui se passait dans les dispositifs et ont essayé de déterminer si les phénomènes qu’ils observaient étaient corrélés aux performances de l’appareil.

« En procédant ainsi, nous avons pu identifier le mécanisme de dégradation à l’intérieur des dispositifs », a déclaré Huang. « Nous avons soigneusement distingué le comportement de dégradation avec panne et dégradation progressive. La première se produit sous une forte polarisation inverse sur une courte période, tandis que la seconde se produit sous une faible polarisation inverse sur une durée plus longue. »

Les expériences menées par Huang et ses collègues ont donné des résultats intéressants. Ils ont notamment dévoilé une série de réactions électrochimiques associées à la dégradation des PSC dans des conditions de polarisation inverse.

Ces réactions ont entraîné la production d’iode, qui a entraîné la corrosion de l’électrode en cuivre des cellules. Ce processus a, à son tour, déclenché la panne et la dégradation des cellules solaires.

« Inspirés par ce que nous avons appris, nous avons utilisé un empilement de dispositifs de fluorure de lithium/oxyde d’étain/oxyde d’étain d’indium, qui rend également les dispositifs stables à la lumière et à la chaleur, pour inhiber la formation d’iode sous polarisation inverse de la corrosion des électrodes », a déclaré Huang. « En procédant ainsi, la durée de vie des PSC modifiés pourrait atteindre 1 000 heures sous polarisation inverse de -1,6 V. Une telle performance m’a vraiment surpris, car il y a un an encore, je n’aurais jamais pensé qu’ils pourraient être aussi stables. »

Les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs pourraient bientôt éclairer le développement de cellules photovoltaïques à base de pérovskite plus stables, ce qui pourrait contribuer à leur future commercialisation à grande échelle. Maintenant que leur projet de recherche est terminé, Huang et ses collègues espèrent mener des études supplémentaires, qui viseraient à délimiter la limite supérieure de la stabilité de la polarisation inverse pour les cellules photovoltaïques à base de pérovskite.

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