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RÉSUMÉ
Transformer l'énergie solaire en électricité en utilisant des matériaux et des procédés à bas coût reste un défi. Les cellules solaires à pérovskites hybrides (PH), apparues très récemment, sont basées sur des matériaux aux propriétés opto-électroniques et structurales remarquables. Cet article montre comment les PH sont utilisées dans les cellules solaires et leurs différentes voies de préparation sont décrites. Les différentes architectures et structures de cellules sont expliquées. Enfin, les autres matériaux utilisés dans les cellules sont présentés et l'importance de leurs propriétés optiques et électroniques pour le bon fonctionnement des dispositifs est expliquée.
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Thierry PAUPORTÉ : Directeur de recherche CNRS - Institut de recherche de Chimie-Paris, Chimie-Paristech, Paris, France
INTRODUCTION
Domaine : Cellules solaires photovoltaïques
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Photovoltaïque, couches minces
Domaines d'application : Énergie, électricité
Principaux acteurs français :
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École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie-Paristech), Institut de recherche de Chimie-Paris (UMR 8247) https://www.chimie-paristech.fr/fr/la_ recherche/ircp/
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Institut national des sciences appliquées de Rennes, laboratoire FOTON http://www.insa-rennes.fr/foton.html
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université d'Angers, laboratoire MOLTECH-Anjou (UMR 6200) http://moltech-anjou.univ-angers.fr/
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Institut de recherche XLIM, Limoges http://www.xlim.fr/
-
Institut nanoscience et cryogénie, CEA, structure et propriétés d'architectures moléculaires http://inac.cea.fr/spram/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_service. php?id_unit=10
Autres acteurs dans le monde :
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École polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse), Laboratory of Photonics and Interfaces (LPI) http://lpi.epfl.ch/
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université d'Oxford (Grande-Bretagne), département de physique https://www2.physics.ox.ac.uk/research/photovoltaic-and-optoelectronic-device-group
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Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Division of Advanced Materials http://english.krict.re.kr/eng/
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Oxford PV https://www.oxfordpv.com/
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5. Autres matériaux des cellules
La pérovskite hybride absorbe la lumière solaire et génère les excitons et les charges libres. Celles-ci doivent être collectées et transportées pour produire le photocourant. Cette collecte et le transfert des charges se font par des matériaux dont les propriétés optiques et électroniques doivent être parfaitement adaptées et complémentaires à celles de la pérovskite hybride.
5.1 Électrodes conductrices transparentes
Ces électrodes doivent être transparentes et bien conduire l'électricité. Généralement, les cellules sont réalisées sur des substrats en verre recouverts d'une couche d'oxyde transparent et conducteur. La couche d'oxyde doit présenter une transmittance supérieure à 80 % et une conductivité supérieure à 103 S/cm pour assurer une bonne conductivité électronique et limiter la chute ohmique. Cet oxyde est soit du SnO2 dopé au fluor ou FTO, soit de l'oxyde d'indium-étain ou ITO. L'ITO est un mélange d'oxyde d'indium(III) (In2O3) et d'oxyde d'étain (IV) (SnO2), dans la proportion massique typique de 90 % du premier et 10 % du second. Ce composé est incolore et transparent en couches minces. La caractéristique principale de l'ITO est sa combinaison de conductivité électrique et de transparence optique. Cependant, un compromis doit être atteint lors du dépôt de films, l'augmentation de la concentration de porteurs de charges ou d'épaisseur induisant une hausse de conductivité du matériau, mais une diminution de sa transparence. Les couches minces d'ITO et de FTO sont le plus souvent déposées sur des surfaces par évaporation par faisceau d'électrons, dépôt physique en phase vapeur ou par d'autres techniques de dépôt par vaporisation comme la pyrolyse spray. Les couches d'ITO sont plus lisses que celles de FTO et donc favorisent le dépôt de couches parfaitement couvrantes. Cependant, elles sont moins stables lors des traitements thermiques, comme celui qu'il est nécessaire de réaliser pour la cristallisation de TiO2 .
Dans le cas des cellules flexibles, les substrats flexibles sont en plastique transparent recouvert par une couche conductrice. On utilise généralement le téréphtalate de polyéthylène (PET) ou le naphtalate de polyéthylène (PEN) recouverts par une couche d'ITO.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MOLLER (C.K.) - Crystal structure and photoconductivity of caesium plumbohalides. - Nature, 182(4647), p. 1436-1436 (1958).
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(2) - WEBER (D.) - CH3NH3PbX3 , a Pb(II)-system with cubic perovskite structure. - Z. Naturforschung B, 33(12), p. 1443-1445 (1978).
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(3) - WELLER (M.T.), WEBER (O.J.), HANRY (P.F.), DI PUMPO (A.M.), HANSEN (T.C.) - Complete structure and cation orientation in perovskite photovoltaic methylammonium lead iodide between 100 and 352 K. - Chem. Commun., 51, p. 4180-4183 (2015).
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(4) - NOH (J.H.), IM (S.H.), HEO (J.H.), MANDAL (T.N.), SEOK (S.I.) - Chemical management for colorful, efficient, and stable inorganic-organic hybrid nanostructured solar cells. - Nano Lett., 13, p. 1764-1769 (2013).
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(5) - WONG (A.B.), LAI (M.), EATON (S.W.), YU (Y.), LIN (E.), DOU (L.), FU (A.), YANG (P.) - Growth and anion exchange conversion of CH3NH3PbX3 nanorod arrays for light emitting diodes. - Nano Lett., 15, p. 5519-5524 (2015).
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