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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Auto-réparation de cellules photovoltaïques perovskites

La "fièvre pérovskite" qui s’est emparée de la communauté photovoltaïque s’amplifie depuis que des rendements records de conversion dépassant maintenant les 22% atteignent ceux du silicium. Mais ces matériaux sont instables et augmenter leur stabilité est indispensable pour envisager le passage du dispositif de démonstration à une production industrielle. L’équipe conjointe de l’Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1) et du laboratoire FOTON (CNRS/INSA de Rennes) s’est associée à plusieurs laboratoires américains pour mettre en évidence et analyser l’auto-réparation (self-healing) de cellules pérovskites après une dégradation très lente des rendements photovoltaïques sous rayonnement solaire. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communication.

 

Dans les cellules photovoltaïques à base de CH3NH3PbI3, matériau pérovskite le plus fréquemment utilisé, on observe des dégradations rapides et irréversibles. Elles sont liées à différents processus associés à la présence de nombreux joints de grains, de défauts ou encore d’interface entre les grains de qualité médiocre. Les équipes américaines sont parvenues à améliorer considérablement la qualité cristalline du matériau en diminuant le nombre de joints de grains et en améliorant les interfaces. Elles ont ainsi repoussé la dégradation du rendement photovoltaïque sur des échelles de temps beaucoup plus longues, de l’ordre de l’heure. De plus, ce phénomène de dégradation lente est maintenant réversible et l’auto-réparation se produit très rapidement dans le noir (< 1 min). Les chercheurs ont également observé que cette dégradation dépend fortement de la température et des conditions de polarisation de la cellule (court-circuit versus circuit ouvert). Ils ont par exemple observé qu’elle était stoppée à 0°.

Pour expliquer ces phénomènes, les équipes Rennaises proposent une interprétation originale basée sur la notion de polaron hybride en interaction forte avec les composantes inorganiques et organiques de la perovskite. Ils suggèrent que les vibrations du réseau cristallin inorganique et les rotations moléculaires désordonnées sont à l’origine du ralentissement de certains porteurs de charge produits par l’effet photovoltaïque. Les porteurs de charges électriques se retrouvent piégés par les déformations du réseau cristallin et se déplacent alors avec une extrême lenteur. C’est l’accumulation lente de ces charges, sur plusieurs dizaines d’heures, qui serait à l’origine de la dégradation des performances, perturbant le flux continuel de porteurs de charge libres produites par effet photovoltaïque. Ces charges libres qui constituent le courant électrique produit par la cellule pourraient en effet être ralenties par la présence de zones chargées dans le matériau, dégradant ainsi les performances de la cellule photovoltaïque. Cette hypothèse théorique présente l’avantage d’expliquer la réversibilité du phénomène et l’auto-réparation rapide du matériau après quelques minutes dans le noir. La prochaine étape va consister à apporter la preuve expérimentale définitive de cette hypothèse et à proposer de nouvelles stratégies au niveau matériau et architecture de cellules pour s’affranchir de cette limitation intrinsèque.

 

Référence

Wanyi Nie, Jean-Christophe Blancon, Amanda J. Neukirch, Kannatassen Appavoo, Hsinhan Tsai, Manish Chhowalla, Muhammad A. Alam, Matthew Y. Sfeir, Claudine Katan, Jacky Even, Sergei Tretiak, Jared J. Crochet, Gautam Gupta & Aditya D. Mohite

Light-activated photocurrent degradation and self-healing in perovskite solar cells 

Nature communications 16 mai 2016
DOI: 10.1038/ncomms11574

 

Contacts chercheurs

Claudine Katan, Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR)

Courriel : claudine.katan@univ-rennes1.fr

T 02 23 23 56 82

 

Jacky Even, Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (FOTON)

Courriel : jacky.even@insa-rennes.fr

T 02 23 23 82 95

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

17mai 2016

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