Des chercheurs australiens ont découvert que les cellules solaires en pérovskite endommagées par un rayonnement de protons peuvent retrouver toute leur efficacité grâce à un recuit thermique sous vide. L’équipe a réussi cet exploit grâce à la conception minutieuse du matériau de transport des trous et à l’utilisation pionnière de nouvelles techniques de spectroscopie et de substrats de saphir ultraminces.
Des chercheurs australiens ont montré que les cellules solaires en pérovskite endommagées par des rayonnements de protons en orbite terrestre basse peuvent retrouver entièrement leur efficacité initiale grâce à un recuit sous vide thermique.
Ce processus est rendu possible par une conception minutieuse du matériau de transport des trous (HTM), un composant qui déplace les charges positives photogénérées vers l’électrode de la cellule.
Ce projet multidisciplinaire est pionnier dans son utilisation de la spectroscopie d’admittance thermique (TAS) et de la spectroscopie transitoire de niveau profond (DLTS) pour analyser les défauts dans les cellules solaires pérovskites (PSC) irradiées aux protons et récupérées sous vide thermique. Cette étude est également la première à utiliser des substrats de saphir ultraminces compatibles avec des rapports puissance/poids élevés, ce qui les rend aptes à des applications commerciales.
Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Advanced Energy Materials.
Grâce à leur faible coût de fabrication, à leur efficacité élevée et à leur résistance aux radiations, les PSC légers sont des candidats de choix pour l’alimentation du matériel spatial bon marché.
Toutes les études précédentes sur l’irradiation par protons des PSC ont été réalisées sur des substrats plus lourds, d’une épaisseur supérieure à 1 mm. Ici, pour tirer parti de rapports puissance/poids élevés, des substrats de saphir ultraminces de 0,175 mm, résistants aux rayonnements et optiquement transparents, ont été utilisés par une équipe basée à l’université de Sydney. Le projet était dirigé par le professeur Anita Ho-Baillie, qui est également chercheur associé au Centre d’excellence ARC en science des excitons.
Les cellules ont été exposées à un faisceau de protons de sept mégaélectron-volts (MeV) à balayage rapide à l’aide de la microsonde à ions lourds de haute énergie du Centre for Accelerator Science (CAS) de l’ANSTO, imitant l’exposition aux rayonnements de protons que subiraient les panneaux de cellules solaires en orbite terrestre basse (LEO) pendant des dizaines, voire des centaines d’années.
Il a été constaté que le type de cellules comportant un HTM populaire et un dopant populaire dans son HTM sont moins tolérantes aux rayonnements que leurs concurrentes. Le HTM en question est le composé 2,2′,7,7′-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9′-spirobifluorène (Spiro-OMeTAD), tandis que le dopant est le bis(trifluorométhanesulfonyl)imide de lithium (LiTFSI).
Grâce à une analyse chimique, l’équipe a découvert que la diffusion du fluor à partir du LiTFSI induite par le rayonnement de protons introduit des défauts à la surface du photo-absorbeur en pérovskite, ce qui pourrait entraîner une dégradation des cellules et des pertes d’efficacité au fil du temps.
« Grâce au soutien apporté par Exciton Science, nous avons pu acquérir la capacité de spectroscopie transitoire en profondeur pour étudier le comportement des défauts dans les cellules », a déclaré l’auteur principal, le Dr Shi Tang.
L’équipe a pu constater que les cellules exemptes de Spiro-OMeTAD et de LiTFSI ne subissaient pas de dommages liés à la diffusion du fluor, et que la dégradation causée par le rayonnement protonique pouvait être inversée par un traitement thermique sous vide. Ces cellules résistantes aux radiations avaient soit du Poly[bis(4-phenyl) (2,5,6-trimethylphenyl) (PTAA) or a combination of PTAA and 2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophène (C8BTBT) comme matériau de transport des trous, avec du tris(pentafluorophényl)borane (TPFB) comme dopant.
« Nous espérons que les connaissances générées par ce travail contribueront aux efforts futurs de développement de cellules solaires légères et peu coûteuses pour les futures applications spatiales », a déclaré le professeur Ho-Baillie.
Référence : « Effect of Hole Transport Materials and Their Dopants on the Stability and Recoverability of Perovskite Solar Cells on Very Thin Substrates after 7 MeV Proton Irradiation » par Shi Tang, Stefania Peracchi, Zeljko Pastuovic, Chwenhaw Liao, Alan Xu, Jueming Bing, Jianghui Zheng, Md Arafat Mahmud, Guoliang Wang, Edward Dominic Townsend-Medlock, Gregory J. Wilson, Girish Lakhwani, Ceri Brenner, David R. McKenzie et Anita W. Y. Ho-Baillie, 22 mai 2023, Advanced Energy Materials.
DOI : 10.1002/aenm.202300506