L'équipe dirigée par les chercheurs Ge Ziyi et Liu Chang de l'Institut de technologie et d'ingénierie des matériaux de Ningbo, relevant de l'Académie chinoise des sciences, a réalisé des progrès significatifs dans le domaine des cellules solaires tandem tout pérovskite. Ils ont développé une stratégie de régulation de la cristallisation basée sur la théorie de la dureté chimique, obtenant un rendement de conversion de puissance certifié de 30,3 % sur des dispositifs rigides et un rendement certifié de 28,0 % sur des dispositifs flexibles. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Nature Nanotechnology.
Les cellules solaires tandem tout pérovskite sont composées de sous-cellules à large bande interdite et à bande interdite étroite, ce qui leur permet d'utiliser le spectre solaire plus efficacement que les dispositifs à jonction unique. Cependant, les films de pérovskite à composants multiples sont sujets à un déséquilibre entre les taux de nucléation et de cristallisation pendant le processus de formation du film, ce qui entraîne une distribution verticale non uniforme des composants, une augmentation des défauts et limite l'amélioration du rendement et de la stabilité des dispositifs.
Pour résoudre ce problème, l'équipe de recherche a conçu des additifs anioniques dotés d'une capacité de coordination sélective, en se basant sur la théorie des acides et bases durs et mous. L'étude a révélé que l'ion difluoro(oxalato)borate peut réguler efficacement le comportement de cristallisation des halogènes dans la pérovskite à large bande interdite, tandis que l'ion tétrafluoroborate convient au système de pérovskite à base d'étain-plomb à bande interdite étroite. Les deux additifs peuvent se coordonner sélectivement avec les précurseurs, synchronisant les processus de nucléation et de croissance cristalline, inhibant la distribution de phase verticale non uniforme et améliorant l'homogénéité du film.
L'analyse structurale et la caractérisation optique montrent que cette stratégie favorise une nucléation et une croissance cristalline uniformes, tout en supprimant la redistribution des halogénures qui entraîne généralement des défauts et une accumulation de contraintes. Après optimisation, le rendement de la sous-cellule à large bande interdite est passé de 18,5 % à 20,1 %, et celui de la sous-cellule à bande interdite étroite de 21,6 % à 23,3 %. Dans une structure tandem monolithique à deux terminaux, le rendement maximal du dispositif rigide a atteint 30,3 %, avec une tension en circuit ouvert de 2,16 V et un facteur de remplissage de 85,2 %.
En termes de stabilité opérationnelle, le dispositif rigide optimisé a conservé 92 % de son rendement initial après 1000 heures de suivi continu au point de puissance maximale. Le rendement du dispositif tandem flexible a atteint 28,2 %, certifié à 28,0 %, et a conservé 95,2 % de son rendement initial après 10 000 cycles de flexion.
Cette recherche révèle le mécanisme de formation de la cristallisation désynchronisée et de l'inhomogénéité des composants dans les pérovskites à composition complexe, établit un principe chimique universel pour réguler la cristallisation des systèmes de pérovskite à composants multiples, et offre une voie technique pour concilier le rendement et la durabilité des dispositifs rigides et flexibles.