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A gold back electrode can cost around 60 euros per square meter of perovskite solar panel when it is only 100 nanometers thick. That is roughly three times the cost of an entire silicon panel, electronics included, according to the team behind a study published in Advanced Energy Materials. Their proposed substitute is a 5-nanometer layer of chromium placed between the perovskite and a cheap metal such as aluminum.
Une électrode arrière en or peut coûter environ 60 euros par mètre carré de panneau solaire à pérovskite lorsqu’elle ne fait que 100 nanomètres d’épaisseur. Cela représente environ trois fois le coût d’un panneau au silicium complet, électronique comprise, selon l’équipe à l’origine d’une étude publiée dans Advanced Energy Materials. Le substitut proposé est une couche de chrome de 5 nanomètres placée entre la pérovskite et un métal bon marché comme l’aluminium.
The problem is chemical. As a perovskite cell ages, halide ions escape from the active material and readily attack most metals. Gold largely resists that corrosion. The researchers’ analysis using X-ray photoelectron spectroscopy found that chromium forms a mixed metallic and oxidized barrier at the interface: it absorbs the chemical attack before the halides reach the aluminum underneath. The same protective effect appeared with copper and silver, suggesting the approach is not limited to one cheap metal.
Le problème est chimique. À mesure qu’une cellule à pérovskite vieillit, des ions halogénures s’échappent du matériau actif et attaquent facilement la plupart des métaux. L’or résiste largement à cette corrosion. L’analyse des chercheurs par spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X a montré que le chrome forme à l’interface une barrière composée de métal et d’oxyde : elle absorbe l’attaque chimique avant que les halogénures n’atteignent l’aluminium situé en dessous. Le même effet protecteur est apparu avec le cuivre et l’argent, ce qui laisse penser que l’approche ne se limite pas à un seul métal bon marché.
In accelerated aging tests, aluminum alone degraded rapidly. With chromium added, it moved from the least stable option tested to one of the most stable, closely matching gold while using raw materials costing roughly one-hundred-thousandth as much. The cells were tested under combined heat and light at 0.76 suns and roughly 75°C, conditions designed to stress the devices rather than simulate ordinary operation directly.
Lors des tests de vieillissement accéléré, l’aluminium seul s’est rapidement dégradé. Avec l’ajout de chrome, il est passé du statut d’option la moins stable testée à celui de l’une des plus stables, égalant de près l’or tout en utilisant des matières premières coûtant environ un cent-millième de son prix. Les cellules ont été testées sous une combinaison de chaleur et de lumière à 0,76 soleil et environ 75°C, dans des conditions destinées à éprouver les dispositifs plutôt qu’à reproduire directement leur fonctionnement courant.
The study found a second weak point in the transparent front electrode. ITO, or indium tin oxide, is widely used because light can pass through it, but depth-resolved mass spectrometry showed indium migrating into the perovskite. The metal appeared to create defects that accelerated light- and heat-induced breakdown. FTO — fluorine-doped tin oxide — contains no indium, and cells built with it avoided the performance loss that caused ITO-based devices to fail within a few hundred hours under the same stress.
L’étude a révélé un second point faible dans l’électrode frontale transparente. L’ITO, ou oxyde d’indium-étain, est largement utilisé parce qu’il laisse passer la lumière, mais une spectrométrie de masse à résolution en profondeur a montré que l’indium migrait dans la pérovskite. Le métal semble avoir créé des défauts accélérant la dégradation induite par la lumière et la chaleur. La FTO — oxyde d’étain dopé au fluor — ne contient pas d’indium, et les cellules qui en étaient équipées ont évité la perte de performances qui faisait défaillir les dispositifs à base d’ITO en quelques centaines d’heures sous le même stress.
And concretely? A perovskite cell could potentially replace two costly or unstable material choices at once: gold at the back and ITO at the front. In the team’s tests, cells using FTO and the chromium-aluminum bilayer tracked gold-based references for more than 1,000 hours of heat and simulated sunlight. That is a useful engineering direction for cheaper, more durable devices, but it remains a laboratory result rather than a demonstrated commercial panel.
Et concrètement ? Une cellule à pérovskite pourrait potentiellement remplacer en même temps deux choix de matériaux coûteux ou instables : l’or à l’arrière et l’ITO à l’avant. Lors des tests de l’équipe, les cellules utilisant de la FTO et la bicouche chrome-aluminium ont suivi les références à base d’or pendant plus de 1 000 heures de chaleur et de lumière solaire simulée. Il s’agit d’une piste d’ingénierie intéressante pour des dispositifs moins chers et plus durables, mais le résultat reste une démonstration en laboratoire et non celle d’un panneau commercial.