La chimie des interfaces de précision permet aux cellules solaires en pérovskite d'atteindre un rendement supérieur à 26 %
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Une collaboration internationale de recherche a mis au point une nouvelle stratégie moléculaire permettant de contrôler l'une des interfaces les plus critiques des cellules solaires en pérovskite. Les cellules solaires ainsi obtenues ont atteint un rendement de conversion énergétique de 26,19 % dans l'architecture n-i-p, tout en présentant une grande stabilité de fonctionnement sous un éclairage prolongé et à température élevée. Ces résultats ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society.
Ces travaux s’attaquent à un défi récurrent dans le domaine du photovoltaïque à base de pérovskite : la présence d’iodure de plomb résiduel (PbI₂) à la surface de la pérovskite après la formation du film. Bien que des quantités modérées de PbI₂ puissent être bénéfiques pendant la cristallisation, une distribution non homogène au niveau de l’interface finale peut entraîner des variations locales du potentiel de surface, favoriser le piégeage des charges et accroître la recombinaison non radiative. Aujourd’hui, une collaboration internationale, à laquelle participent mon équipe, le groupe « Robotized Optoelectronic Material and Photovoltaic Engineering » du Helmholtz Zentrum Berlin, ainsi que l’équipe de recherche du professeur Letian Dou de l’université Purdue et de l’université Emory, a mis au point une nouvelle approche pour résoudre ce problème.
Nous avons conçu une nouvelle classe de ligands moléculaires bidentés qui interagissent de manière sélective avec le PbI₂ résiduel par le biais de deux sites d’ancrage. Contrairement aux molécules conventionnelles qui se lient via un seul point d’interaction, ces nouvelles molécules restructurent le PbI₂ résiduel en structures de coordination PbI₆ plus stables et électroniquement plus favorables, tout en préservant l’absorbeur de pérovskite tridimensionnel sous-jacent. La molécule la plus performante, MeXT, a permis d’obtenir un paysage électronique nettement plus homogène à la surface de la pérovskite. Cela a permis de réduire le désordre interfacial et les pertes de tension non radiatives, tout en améliorant le transport des porteurs de charge photogénérés vers la couche de transport des trous. Le dispositif le plus performant a atteint un rendement de 26,19 %, avec une tension en circuit ouvert de 1,198 V, un facteur de remplissage de 83,2 % et une densité de courant en court-circuit de 26,28 mA cm⁻². Ce dispositif a également affiché un rendement stabilisé de 25,65 %. Soumis à une contrainte combinée de lumière et de chaleur à 75 °C, les dispositifs traités ont conservé plus de 80 % de leur rendement initial après 1 000 heures.
Aperçu du transport de charge
L’une des principales contributions de mon équipe au HZB a été la mise en œuvre de mesures avancées de phototension de surface, transitoires et à résolution spatiale. Ces mesures ont permis de comprendre directement comment le traitement moléculaire modifie la séparation et l’extraction des charges à l’interface. Le traitement optimisé ne s’est pas contenté de passiver les défauts ; il a modifié la sélectivité interfaciale des charges elle-même. Alors que les surfaces insuffisamment traitées présentaient des signes d’accumulation et de piégeage d’électrons, le traitement bidenté optimisé a supprimé ces voies de piégeage d’électrons et a fortement favorisé l’accumulation et l’extraction des trous vers la couche de transport des trous. Les mesures effectuées sur des empilements complets de pérovskite, de ligand et de couche de transport de trous ont montré une réponse de phototension positive plus rapide et nettement plus forte pour le meilleur traitement, ce qui correspond à une extraction améliorée des trous et à une réduction de la recombinaison interfaciale.
La phototension de surface nous a permis d’observer ce que les mesures d’efficacité conventionnelles ne peuvent à elles seules révéler. Nous avons pu distinguer directement comment différents traitements moléculaires modifient la sélectivité des charges, l’activité des défauts et la dynamique d’extraction. Cela a permis non seulement de déterminer si un traitement est efficace, mais aussi pourquoi il l’est et où se situe le point optimal pour le dispositif complet.
Cette étude démontre l’intérêt de combiner une conception moléculaire rationnelle, une spectroscopie de pointe, la cartographie spatiale, la modélisation théorique et l’ingénierie complète des dispositifs. La conception chimique et le développement photovoltaïque ont été menés en étroite collaboration avec le groupe du professeur Letian Dou, avec des contributions théoriques supplémentaires de l’équipe du professeur Brett M. Savoie. Ensemble, nous avons établi un principe de conception plus large pour créer des interfaces électroniquement homogènes grâce à une coordination chimique sélective plutôt qu’à un traitement de surface non spécifique.
Ces travaux ouvrent également la voie à la prochaine étape de la recherche photovoltaïque au HZB : l’optimisation autonome des matériaux et des dispositifs. Au cours des trois prochains mois, une nouvelle ligne entièrement robotisée dédiée à la préparation, à la caractérisation et à l’optimisation des cellules solaires sera mise en place chez HySPRINT. Cette plateforme combinera la fabrication automatisée de dispositifs avec une caractérisation optoélectronique rapide et une optimisation basée sur les données. L’objectif est d’accélérer l’optimisation expérimentale d’un facteur d’environ dix, tout en approfondissant la compréhension physique des relations entre le traitement, les propriétés d’interface et les performances finales des dispositifs.
La prochaine étape consiste à relier directement cette compréhension fondamentale des interfaces à l’expérimentation autonome. Au lieu de tester les matériaux au cours de longues campagnes d’optimisation séquentielles, nous souhaitons que des systèmes robotiques préparent les dispositifs, mesurent les paramètres physiques pertinents et utilisent les résultats pour décider quelle expérience doit être réalisée ensuite. Avec mon équipe à l’HZB, nous nous préparons à partager les premières photos et vidéos du nouveau laboratoire robotisé en septembre et octobre 2026, marquant ainsi le début d’une nouvelle phase dans la découverte et l’optimisation automatisées des matériaux photovoltaïques et de leurs interfaces.
Auteur : Dr Artem Musiienko, chef de groupe à l’HZB
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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